We present a detailed convergence analysis for an operator splitting scheme proposed in [C. Liu et al.,J. Comput. Phys., 436, 110253, 2021] for a reaction-diffusion system with detailed balance. The numerical scheme has been constructed based on a recently developed energetic variational formulation, in which the reaction part is reformulated in terms of the reaction trajectory, and both the reaction and diffusion parts dissipate the same free energy. The scheme is energy stable and positivity-preserving. In this paper, the detailed convergence analysis and error estimate are performed for the operator splitting scheme. The nonlinearity in the reaction trajectory equation, as well as the implicit treatment of nonlinear and singular logarithmic terms, impose challenges in numerical analysis. To overcome these difficulties, we make use of the convex nature of the logarithmic nonlinear terms, which are treated implicitly in the chemical reaction stage. In addition, a combination of a rough error estimate and a refined error estimate leads to a desired bound of the numerical error in the reaction stage, in the discrete maximum norm. Furthermore, a discrete maximum principle yields the evolution bound of the numerical error function at the diffusion stage. As a direct consequence, a combination of the numerical error analysis at different stages and the consistency estimate for the operator splitting results in the convergence estimate of the numerical scheme for the full reaction-diffusion system.


翻译:我们对[C.Liu et al.,J.Comput.Phys.,436, 110253, 2021] 中提议的操作者分解计划进行了详细的趋同分析,以建立一个反应-扩散系统,详细平衡地分析反应-扩散系统。数字方案是根据最近开发的强力变异配方构建的,其中反应部分按反应轨迹重新拟订,反应和传播部分使同样的自由能量消散。这个方案是能源稳定和假定性的。在本文中,对操作者分解计划进行详细的趋同分析和误差估计。反应轨方程式的不线性以及隐性处理非线性和单一对数术语,给数字分析带来了挑战。为了克服这些困难,我们使用了对数非线性术语的正弦性质,在化学反应阶段以隐含的方式加以处理。此外,粗误估计和精确误差估计的结果是,在反应阶段,在离散的最大规范中,在反应轨轨和单一对非线和单对单逻辑的处理中,一个离式的最大原则在数字-级反应分析阶段,使数字统一性结果在数字组合的演变中产生。

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