We develop a sparse spectral method for a class of fractional differential equations, posed on $\mathbb{R}$, in one dimension. These equations can include sqrt-Laplacian, Hilbert, derivative and identity terms. The numerical method utilizes a basis consisting of weighted Chebyshev polynomials of the second kind in conjunction with their Hilbert transforms. The former functions are supported on $[-1,1]$ whereas the latter have global support. The global approximation space can contain different affine transformations of the basis, mapping $[-1,1]$ to other intervals. Remarkably, not only are the induced linear systems sparse, but the operator decouples across the different affine transformations. Hence, the solve reduces to solving $K$ independent sparse linear systems of size $\mathcal{O}(n)\times \mathcal{O}(n)$, with $\mathcal{O}(n)$ nonzero entries, where $K$ is the number of different intervals and $n$ is the highest polynomial degree contained in the sum space. This results in an $\mathcal{O}(n)$ complexity solve. Applications to fractional heat and wave equations are considered.
翻译:我们为某类分差方程式开发了一种稀薄的光谱方法, 以$\ mathbb{R}$ 在一个维度上绘制。 这些方程式可以包括 sqrt- Laplaceian、 Hilbert、 衍生物和身份属性等条件。 数字方法使用一种基础, 包括加权的Chebyshev II类多元线性系统及其Hilbert变换。 前一个函数以$[ 1, 1美元支持, 而后者则得到全球支持。 全球近距离空间可以包含基础的不同折线性转换, 绘制 $[ 1, 1美元到其他间隔。 显而易见, 不仅导线性系统分散, 操作者跨越不同线性变异形的解码。 因此, 解析方法会降低一个基础, 由加权的Chebyshev 多元线性系统 $\ mathcal{O} (n) 时间支持, 而后者则得到全球支持。 全球近距离空间可包含不同的折线性转换, $ 和 $n$n 。 是一个最高多元度 方程式 。 这个解算 。