This paper deals with the asymptotic behavior and FEM error analysis of a class of strongly damped wave equations using a semidiscrete finite element method in spatial directions combined with a finite difference scheme in the time variable. For the continuous problem under weakly and strongly damping parameters $\alpha$ and $\beta,$ respectively, a novel approach usually used for linear parabolic problems is employed to derive an exponential decay property with explicit rates, which depend on model parameters and the principal eigenvalue of the associated linear elliptic operator for the different cases of parameters such as $(i) \;\alpha, \beta >0$, $ (ii)\; \alpha>0, \beta \geq 0$ and $(iii)\;\alpha \geq 0, \beta >0$. Subsequently, for a semi-discrete finite element scheme keeping the temporal variable continuous, optimal error estimates are derived that preserve exponential decay behavior. Some generalizations that include forcing terms and spatially as well as time-varying damping parameters are discussed. Moreover, an abstract discrete problem is discussed, and as a consequence, uniform decay estimates for finite difference as well as spectral approximations to the damped system are briefly indicated. A complete discrete scheme is developed and analyzed after applying a finite difference scheme in time, which again preserves the exponential decay property. The given proofs involve several energies with energy-based techniques to derive the consistency between continuous and discrete decay rates, in which the constants involved do not blow up as $\alpha\to 0$ and $\beta\to 0$. Finally, several numerical experiments are conducted whose results support the theoretical findings, illustrate uniform decay rates, and explore the effects of parameters on stability and accuracy.


翻译:本文研究一类强阻尼波方程的渐近行为及有限元误差分析,采用空间方向上半离散有限元方法与时间变量有限差分格式相结合。针对弱阻尼参数α与强阻尼参数β的连续问题,借鉴常用于线性抛物问题的新方法,推导出具有显式衰减率的指数衰减性质,该衰减率取决于模型参数及相应线性椭圆算子的主特征值,并涵盖以下参数情形:(i) α, β > 0;(ii) α > 0, β ≥ 0;(iii) α ≥ 0, β > 0。随后,对保持时间变量连续的半离散有限元格式,导出了保持指数衰减行为的最优误差估计。文中讨论了含强迫项及空间与时间依赖阻尼参数的若干推广情形。此外,通过分析抽象离散问题,简要指出了有限差分与谱近似对阻尼系统的一致衰减估计。在时间方向应用有限差分格式后,建立并分析了完整的离散格式,该格式同样保持指数衰减特性。证明过程采用多种能量泛函及基于能量的技术,推导连续与离散衰减率之间的一致性,其中涉及的常数在α→0与β→0时不发散。最后,通过数值实验验证理论结果,展示一致衰减率,并探究参数对稳定性与精度的影响。

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