Semilinear hyperbolic stochastic partial differential equations have various applications in the natural and engineering sciences. From a modeling point of view the Gaussian setting may be too restrictive, since applications in mathematical finance and phenomena such as porous media or pollution models indicate an influence of noise of a different nature. In order to capture temporal discontinuities and allow for heavy-tailed distributions, Hilbert space-valued L\'evy processes (or L\'evy fields) as driving noise terms are considered. The numerical discretization of the corresponding SPDE involves several difficulties: Low spatial and temporal regularity of the solution to the problem entails slow convergence rates and instabilities for space/time-discretization schemes. Furthermore, the L\'evy process admits values in a possibly infinite-dimensional Hilbert space, hence projections onto a finite-dimensional subspace for each discrete point in time are necessary. Finally, unbiased sampling from the resulting L\'evy field may not be possible. We introduce a novel fully discrete approximation scheme that addresses all of these aspects. Our central contribution is a novel discontinuous Petrov-Galerkin scheme for the spatial approximation that naturally arises from the weak formulation of the SPDE. We prove optimal convergence of this approach and couple it with a suitable time stepping scheme to avoid numerical oscillations. Moreover, we approximate the driving noise process by truncated Karhunen-Lo\'eve expansions. The latter essentially yields a sum of scaled and uncorrelated one-dimensional L\'evy processes, which may be simulated with controlled bias by Fourier inversion techniques.


翻译:在自然科学和工程科学中,半线性超双曲线偏差偏差方程式有多种应用。 从模型的角度来看,高山环境的设置可能限制性过强,因为数学融资的应用和诸如多孔媒体或污染模型等现象表明不同性质的噪音的影响。为了捕捉时空不连续现象并允许大量尾量分布,Hilbert空间价值L\'evy(或L\'evy字段)过程(或L\'evy字段)是考虑驱动噪音条件的。对应的SPDE数字离散涉及若干困难:解决问题的空间和时间规律性低,意味着空间/时间分解机制的加速率和不稳定性。此外,L\'evy过程在可能是一个无限的Hilbert空间空间,因此预测每个离散点的有限空间分层空间。最后,从产生的L\'vyvy字段中进行公正的取样可能是不可能的。我们的核心贡献是一个不连续的 Petrovi-lairal calalalal 方法,从一个不连续的Plev-ralkinal-ralalalal roilalal 方法到我们一个不固定的节流流流流流流流的精确的精确的轨道,从而可以通过一个最精确的流流流的流化的精确的流化的流化的流化的流化的流压方法来证明。

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