We analyze, from the viewpoint of positivity preservation, certain discretizations of a fundamental partial differential equation, the one-dimensional advection equation with periodic boundary condition. The full discretization is obtained by coupling a finite difference spatial semi-discretization (the second- and some higher-order centered difference schemes, or the Fourier spectral collocation method) with an arbitrary $\theta$-method in time (including the forward and backward Euler methods, and a second-order method by choosing $\theta\in [0,1]$ suitably). The full discretization generates a two-parameter family of circulant matrices $M\in\mathbb{R}^{m\times m}$, where each matrix entry is a rational function in $\theta$ and $\nu$. Here, $\nu$ denotes the CFL number, being proportional to the ratio between the temporal and spatial discretization step sizes. The entrywise non-negativity of the matrix $M$ -- which is equivalent to the positivity preservation of the fully discrete scheme -- is investigated via discrete Fourier analysis and also by solving some low-order parametric linear recursions. We find that positivity preservation of the fully discrete system is impossible if the number of spatial grid points $m$ is even. However, it turns out that positivity preservation of the fully discrete system is recovered for \emph{odd} values of $m$ provided that $\theta\ge 1/2$ and $\nu$ are chosen suitably. These results are interesting since the systems of ordinary differential equations obtained via the spatial semi-discretizations studied are \emph{not} positivity preserving.


翻译:我们从现实保护的角度分析基本部分差异方程的某种离散 { 基本部分差异方程的某种离散 { 基本部分差异方程的一维对流方程 [0,1] 适合] 。 完全离散产生一个局部空间差半分解( 二级和某些高级中心偏差方案, 或Freier光谱同流法) 的双差半分解( 或Freier 光谱同流法), 且有任意的 $( 包括前方和后方的 Euler 方法), 以及第二阶法, 选择 $( 0. 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 美元 平流利平面平流法) 的双差值 。 我们通过离离离心平流系统平流的平流法, 通过离离性平流系统平流分析, 提供这些平流的平流的平流数据。

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