In this work, we focus on a fractional differential equation in Riesz form discretized by a polynomial B-spline collocation method. For an arbitrary polynomial degree $p$, we show that the resulting coefficient matrices possess a Toeplitz-like structure. We investigate their spectral properties via their symbol and we prove that, like for second order differential problems, also in this case the given matrices are ill-conditioned both in the low and high frequencies for large $p$. More precisely, in the fractional scenario the symbol has a single zero at $0$ of order $\alpha$, with $\alpha$ the fractional derivative order that ranges from $1$ to $2$, and it presents an exponential decay to zero at $\pi$ for increasing $p$ that becomes faster as $\alpha$ approaches $1$. This translates in a mitigated conditioning in the low frequencies and in a deterioration in the high frequencies when compared to second order problems. Furthermore, the derivation of the symbol reveals another similarity of our problem with a classical diffusion problem. Since the entries of the coefficient matrices are defined as evaluations of fractional derivatives of the B-spline basis at the collocation points, we are able to express the central entries of the coefficient matrix as inner products of two fractional derivatives of cardinal B-splines. Finally, we perform a numerical study of the approximation behavior of polynomial B-spline collocation. This study suggests that, in line with non-fractional diffusion problems, the approximation order for smooth solutions in the fractional case is $p+2-\alpha$ for even $p$, and $p+1-\alpha$ for odd $p$.


翻译:在这项工作中,我们侧重于一个分差方程式, 以Riesz 的形式分解成一个分差方程, 由多元B- spline同流法分解。 对于任意的多元度的美元, 我们显示由此产生的系数矩阵具有类似于Toeplitz的结构。 我们通过符号调查其光谱属性。 我们通过它们的符号调查其光谱属性。 我们证明, 就像第二等级的差异问题一样, 在本案中, 给定的矩阵在低频率和高频率中都有缺陷, 大p$。 更确切地说, 在分数假设中, 该符号的解决方案的单一零值为0.0美元, 以美元为正数, 以美元为美元, 分数的分数衍生品顺序从1 美元到 美元, 以零为零, 以美元计的系数矩阵递增量值为零, 随着美元接近美元差数, 与第二等级问题相比, 该符号的推算表明我们的问题与一个典型的传播问题相类似。 由于在B级的直径数分析中, 我们的分数分析的分数的分数分析中, 我们的分数的分数的分数矩阵的分数的分数分析结果的分数的分数的分数, 的分母的分数为B分数的分数的分数的分数的分数的分数的分数的分母的分数的分数。

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