We introduce a method which provides accurate numerical solutions to fractional-in-time partial differential equations posed on $[0,T] \times \Omega$ with $\Omega \subset \mathbb{R}^d$ without the excessive memory requirements associated with the nonlocal fractional derivative operator operator. Our approach combines recent advances in the development and utilization of multivariate sparse spectral methods as well as fast methods for the computation of Gauss quadrature nodes with recursive non-classical methods for the Caputo fractional derivative of general fractional order $\alpha > 0$. An attractive feature of the method is that it has minimal theoretical overhead when using it on any domain $\Omega$ on which an orthogonal polynomial basis is already available. We discuss the memory requirements of the method, present several numerical experiments demonstrating the method's performance in solving time-fractional PDEs on intervals, triangles and disks and derive error bounds which suggest sensible convergence strategies. As an important model problem for this approach we consider a type of wave equation with time-fractional dampening related to acoustic waves in viscoelastic media with applications in the physics of medical ultrasound and outline future research steps required to use such methods for the reverse problem of image reconstruction from sensor data.


翻译:我们引入了一种方法,该方法提供了精确的数值解,用于解决在 $[0,T] \times \Omega$ 上提出的时分数偏微分方程,其中 $\Omega \subset \mathbb{R}^d$,无需使用与非局部分数求导算子相关的过多内存资源。我们的方法结合了最近在多元稀疏谱方法的发展和使用以及快速计算 Gauss 积分节点的方法所取得的进展,以及一般分数阶 $\alpha > 0$ 的 Caputo 分数导数的递归非经典方法。该方法具有的一个优点是,当在任何正交多项式基函数可用的域 $\Omega$ 上使用时,它具有最小的理论开销。我们讨论了该方法的存储需求,提出了几个数值实验,证明了该方法在细胞、三角形和圆盘上求解时分数 PDE 的性能,并推导出了误差界,建议合理的收敛策略。作为这种方法的一个重要模型问题,我们考虑了一类时间分数阶阻尼波方程,该问题与医学超声波物理学中的声波在粘弹性介质中的应用相关,并概述了使用这种方法进行传感器数据图像重建的未来研究步骤。

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