We establish improved uniform error bounds on time-splitting methods for the long-time dynamics of the nonlinear Klein--Gordon equation (NKGE) with weak cubic nonlinearity, whose strength is characterized by $\varepsilon^2$ with $0 < \varepsilon \leq 1$ a dimensionless parameter. Actually, when $0 < \varepsilon \ll 1$, the NKGE with $O(\varepsilon^2)$ nonlinearity and $O(1)$ initial data is equivalent to that with $O(1)$ nonlinearity and small initial data of which the amplitude is at $O(\varepsilon)$. We begin with a semi-discretization of the NKGE by the second-order time-splitting method, and followed by a full-discretization via the Fourier spectral method in space. Employing the regularity compensation oscillation (RCO) technique which controls the high frequency modes by the regularity of the exact solution and analyzes the low frequency modes by phase cancellation and energy method, we carry out the improved uniform error bounds at $O(\varepsilon^2\tau^2)$ and $O(h^m+\varepsilon^2\tau^2)$ for the second-order semi-discretization and full-discretization up to the long time $T_\varepsilon = T/\varepsilon^2$ with $T$ fixed, respectively. Extensions to higher order time-splitting methods and the case of an oscillatory complex NKGE are also discussed. Finally, numerical results are provided to confirm the improved error bounds and to demonstrate that they are sharp.


翻译:我们为非线性克莱因-哥尔登方程式(NKGE)的长期动态,在时间分解方法上建立了更好的统一误差界限,而非线性克莱因-哥尔登方程式(NKGE)则具有较弱的立方不直线性,其强度的特征是:$$(varepsilon)2$(leq 1美元),其值为:0美元 < varepsilon=leq 1美元一个无维度的参数。实际上,当美元 < \ varepsilon=1美元时,使用非线性美元和美元(1美元)的非线性非线性非线性方程式的NKGE在时间分解方法上设置了更好的统一差错。 使用常规性补偿(RCOO)技术来控制高频度模式,以精确时间解算法、分析低频度模式,以阶段取消和定期方法进行Orentral=xral 。

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