The recently developed technique of DOC kernels has been a great success in the stability and convergence analysis for BDF2 scheme with variable time steps. However, such an analysis technique seems not directly applicable to problems with initial singularity. In the numerical simulations of solutions with initial singularity, variable time-steps schemes like the graded mesh are always adopted to achieve the optimal convergence, whose first adjacent time-step ratio may become pretty large so that the acquired restriction is not satisfied. In this paper, we revisit the variable time-step implicit-explicit two-step backward differentiation formula (IMEX BDF2) scheme presented in [W. Wang, Y. Chen and H. Fang, \emph{SIAM J. Numer. Anal.}, 57 (2019), pp. 1289-1317] to compute the partial integro-differential equations (PIDEs) with initial singularity. We obtain the sharp error estimate under a mild restriction condition of adjacent time-step ratios $r_{k}: =\tau_{k}/\tau_{k-1} \; (k\geq 3) < r_{\max} = 4.8645 $ and a much mild requirement on the first ratio, i.e., $r_2>0$. This leads to the validation of our analysis of the variable time-step IMEX BDF2 scheme when the initial singularity is dealt by a simple strategy, i.e., the graded mesh $t_k=T(k/N)^{\gamma}$. In this situation, the convergence of order $\mathcal{O}(N^{-\min\{2,\gamma \alpha\}})$ is achieved with $N$ and $\alpha$ respectively representing the total mesh points and indicating the regularity of the exact solution. This is, the optical convergence will be achieved by taking $\gamma_{\text{opt}}=2/\alpha$. Numerical examples are provided to demonstrate our theoretical analysis.


翻译:DOC 内核技术最近开发的 { DOC 内核技术在使用不同时间步骤的 BDF2 方案的稳定性和趋同性分析中取得了巨大成功。 然而, 这种分析技术似乎并不直接适用于初始奇数问题。 在初始奇数解决方案的数字模拟中, 总是采用像分级网格这样的可变时间步骤方案来实现最佳趋同性, 它们的相邻时间步骤比率可能变得相当大, 从而无法满足获得的限制 。 在本文中, 我们重新审视 [W. Wang, Y. Chen和H.\emph{SIAM. Numer. Anal.}, pp.1289- 1317 来计算部分偏差方程( PIDES) 。 我们获得的精确误差估计, 以相近时间步比率 $ ⁇ k} : ⁇ tauk/ t- descread d) (IMEX) 和 i- deal deal= i- mexal exal ex. (k) a mex_ dromax) a mex deal.

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