Solución Numérica de una ecuación de convección-difusión no local fraccionaria

Palabras clave: Diferencias finitas, Molificación discreta, Derivada fraccional, Ecuación no local

Resumen

En este artículo se considera una ecuación de convección-difusión no local fraccionaria en el tiempo. La derivada fraccional se define en el sentido de Caputo, y las soluciones numéricas se desarrollan por medio de un esquema numérico explícito usando el método de diferencias finitas y la molificación discreta para el término no local. A partir del esquema numérico y el método de Von Neumann se establece la condición de estabilidad (CFL), la propiedad de monotonía, la propiedad de variación total (TVD) y algunas desigualdades importantes para la regularidad del esquema. Finalmente, se presenta algunos experimentos numéricos con un término fuente, el cual permite encontrar las soluciones analíticas para realizar los cálculos respectivos de los errores y órdenes de convergencia con la aproximación numérica.

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Biografía del autor

Fernan Camilo Osorio Guzman, Universidad Católica de Pereira

Profesor de la Universidad Católica de Pereira, profesional. Licenciado en Matemáticas y Física de la Universidad
Tecnológica de Pereira, y Magister en Ciencias Matemáticas Aplicada de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales

Pedro Alejandro Amador Rodriguez, Universidad Nacional de Colombia

Matemático y Magister en Ciencias Matemáticas Aplicada de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. Áreas de estudio son los métodos numéricos en ecuaciones diferenciales parciales.

Carlos Andres Bedoya Parra, Fundación Universitaria Comfamiliar Risaralda

Profesor de la Fundación Universitaria Comfamiliar Risaralda, Ingeniero Electricista y Magister Administración Económica y Financiera Física de la Universidad Tecnológica de Pereira.

Citas

Kilbas, A. A., Srivastava, H. M., and Trujillo, J. J., Theory and applications of fractional differential equations, vol. 204. Elsevier, 2006.

Sene, N., (2022), “Analytical solutions of a class of fluids models with the Caputo fractional derivative”, Fractal and Fractional, 6(1), p. 35.

Zafar, Z. U. A., Zaib, S., Hussain, M. T., Tunç, C., and Javeed, S., (2022), “Analysis and numerical simulation of tuberculosis model using different fractional derivatives”, Chaos Solitons Fractals, 160, 112202.

Erturk, V. S., Ahmadkhanlu, A., Kumar, P., and Govindaraj, V., (2022) “Some novel mathematical analysis on a corneal shape model by using Caputo fractional derivative”, Optik (Stuttg), 261, 169086.

Vellappandi, M., Kumar, P., Govindaraj, V., and Albalawi, W., (2022), “An optimal control problem for mosaic disease via Caputo fractional derivative”, Alexandria Engineering Journal, 61(10), pp. 8027–8037.

Acosta, C. D. and Mejía, C. E., “Stable computations by discrete mollification”, 2014.

Abdel-Rehim, E. A., (2016), “Fundamental solutions of the fractional diffusion and the fractional Fokker–Planck equations”, Journal of the Egyptian Mathematical Society, 24(3), pp. 337–347.

Kaplan, M. y Bekir, A., (2016), “A novel analytical method for time-fractional differential equations”, Optik (Stuttg), 127(20), pp. 8209–8214.

Khan, N. A., Khan, N. U., Ara, A., and Jamil, M., (2012), “Approximate analytical solutions of fractional reaction-diffusion equations”, Journal of King Saud University-Science, 24(2), pp. 111–118.

Lenzi, E. K., dos Santos, M. A. F., Lenzi, M. K., Vieira, D. S., and da Silva, L. R., (2016), “Solutions for a fractional diffusion equation: anomalous diffusion and adsorption–desorption processes”, Journal of King Saud University-Science, 28(1), pp. 3–6.

Thabet, H. and Kendre, S, (2018), “Analytical solutions for conformable space-time fractional partial differential equations via fractional differential transform”, Chaos Solitons Fractals, 109, pp. 238–245.

Bayrak, M. A. and Demir, A., (2018), “A new approach for space-time fractional partial differential equations by residual power series method”, Appl Math Comput, 336, pp. 215–230.

Zhang, J., Zhang, X., and Yang, B., (2018), “An approximation scheme for the time fractional convection–diffusion equation”, Appl Math Comput, 335, pp. 305–312.

Bisci, G. M. and Servadei, R., (2015), “A Brezis–Nirenberg splitting approach for nonlocal fractional equations”, Nonlinear Anal Theory Methods Appl, 119, pp. 341–353.

Li, L., Zhou, B., Chen, X., and Wang, Z., (2018), “Convergence and stability of compact finite difference method for nonlinear time fractional reaction–diffusion equations with delay”, Appl Math Comput, 337, pp. 144–152.

Yuste, S. B. and Acedo, L., (2005), “An explicit finite difference method and a new von Neumann-type stability analysis for fractional diffusion equations”, SIAM J Numer Anal, 42(5), pp. 1862–1874.

Agarwal, P. and El-Sayed, A. A., (2018), “Non-standard finite difference and Chebyshev collocation methods for solving fractional diffusion equation”, Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, 500, pp. 40–49.

Takeuchi, Y., Yoshimoto, Y., and Suda, R., (2017), “Second order accuracy finite difference methods for space-fractional partial differential equations”, J Comput Appl Math, 320, pp. 101–119.

Wei, L., (2017), “Analysis of a new finite difference/local discontinuous Galerkin method for the fractional diffusion-wave equation”, Appl Math Comput, 304, pp. 180–189.

Ali, S., Bushnaq, S., Shah, K., and Arif, M., (2017), “Numerical treatment of fractional order Cauchy reaction diffusion equations”, Chaos Solitons Fractals, 103, pp. 578–587.

Salehi, Y., Darvishi, M. T., and Schiesser, W. E., (2018), “Numerical solution of space fractional diffusion equation by the method of lines and splines”, Appl Math Comput, 336, pp. 465–480.

Acosta, C. D. and Osorio, F. C., (2015), “Numerical solution of the non-local Black-Scholes model by means of discrete mollification”, Revista Integración, 33(2), pp. 145–160.

Bhowmik, S. K., (2014), “Fast and efficient numerical methods for an extended Black–Scholes model”, Computers & Mathematics with Applications, 67(3), pp. 636–654.

Acosta, C. D., Amador, P. A., and Mejía, C. E., “Stability analysis of a finite difference scheme for a nonlinear time fractional convection diffusion equation”, in Analysis, Modelling, Optimization, and Numerical Techniques, San Andres Island, ICAMI, Springer, Nov. 2013, 2015, pp. 139–150.

Shen, S., Liu, F., Anh, V., and Turner, I., (2006), “Detailed analysis of a conservative difference approximation for the time fractional diffusion equation”, J Appl Math Comput, 22, pp. 1–19.

Publicado
2024-06-18
Cómo citar
Osorio Guzman, F., Amador Rodriguez, P., & Bedoya Parra, C. (2024). Solución Numérica de una ecuación de convección-difusión no local fraccionaria. Entre Ciencia E Ingeniería, 18(35), 25-31. https://doi.org/10.31908/19098367.2954
Sección
Artículos