几类积分方程的高效数值算法

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Volterra积分方程和随机方程在描述物理、系统控制和金融等领域中的诸多现象时起着重要的作用.它们的数值分析研究也受到了越来越多的关注.本博士论文主要考虑几类确定性Volterra积分方程、随机微分方程和随机Volterra积分方程数值方法的收敛性和稳定性.全文分为如下6个部分:第一部分简要介绍确定性Volterra积分方程、随机微分方程和随机Volterra积分方程的一些应用背景,以及它们数值解的研究现状.同时,我们给出本文的工作概要.第二部分对自卷积Volterra积分方程提出基于线性重心有理插值的求积方法,其中方法所需的高精度起始值采用配置方法给出.我们证明了数值解的一致有界性和收敛性,并给出方法的收敛阶.第三部分研究带弱奇异核的Volterra积分方程的重心有理配置方法.我们首先对弱奇异Volterra积分方程做光滑变换,使得变换后方程的解具有足够高的正则性.然后应用基于重心有理插值的配置方法到变换后方程,对由此所得的数值离散格式,给出其全局收敛性分析.第四部分研究全局单调性条件下随机变延迟微分方程投影欧拉方法的收敛性.我们首先对一般单步方法证明C稳定加B相容可保证收敛性,然后依次分析投影欧拉方法的C稳定性和B相容阶,由此获得投影欧拉方法在全局单调性条件下仍具有2~1阶强收敛性.第五部分研究线性随机Volterra积分方程的分裂步θ方法.首先,我们证明该方法至少具有0.5阶强收敛性,核函数满足一定条件时方法能达到1阶强收敛.随后研究该方法对随机卷积测试方程的均方稳定性.我们得到了一个递推关系式,再利用根轨迹方法获得数值方法的均方稳定区域.特别地,当θ≥2~1时,分裂步θ方法关于确定性卷积测试方程是V0稳定的,即它能无条件保持测试方程的稳定性,而经典的随机θ方法不具有该性质.第六部分,我们对随机Volterra积分方程提出两参数Milstein方法.我们首先证明该方法具有一阶强收敛性.随后研究随机卷积测试方程的解析稳定性和数值稳定性,获得理论解和数值解均方稳定的条件,基于这些条件画出解析和数值均方稳定区域并进行比较.结果表明双重隐式能显著改善数值方法的稳定性.
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