The unique solvability and error analysis of the original Lagrange multiplier approach proposed in [8] for gradient flows is studied in this paper. We identify a necessary and sufficient condition that must be satisfied for the nonlinear algebraic equation arising from the original Lagrange multiplier approach to admit a unique solution in the neighborhood of its exact solution, and propose a modified Lagrange multiplier approach so that the computation can continue even if the aforementioned condition is not satisfied. Using Cahn-Hilliard equation as an example, we prove rigorously the unique solvability and establish optimal error estimates of a second-order Lagrange multiplier scheme assuming this condition and that the time step is sufficient small. We also present numerical results to demonstrate that the modified Lagrange multiplier approach is much more robust and can use much larger time step than the original Lagrange multiplier approach.


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在数学优化中,拉格朗日乘数法是一种用于寻找受等式约束的函数的局部最大值和最小值的策略(即,必须满足所选变量值必须完全满足一个或多个方程式的条件)。它以数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日命名。基本思想是将受约束的问题转换为某种形式,以便仍可以应用无约束问题的派生检验。函数的梯度与约束的梯度之间的关系很自然地导致了原始问题的重构,即拉格朗日函数。
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