Symmetric Systems of Coordinate Functions for Homogeneous Boundary Value Problems on a Rectangle With Partial Differential Equations

Authors

  • Dmitry F. Pastukhov Euphrosyne Polotskaya State University of Polotsk
  • Yuri F. Pastukhov Euphrosyne Polotskaya State University of Polotsk

DOI:

https://doi.org/10.17072/1993-0550-2026-3-30-48

Keywords:

numerical methods, boundary value problem, Poisson's equation, biharmonic equation, partial differential equations, functional analysis

Abstract

This paper is the first to propose the idea of ​​solving homogeneous boundary value problems with homogeneous partial differential equations on a selected class of functions of two variables while preserving symmetry. To achieve the best accuracy, 7 even or 7 odd coordinate functions are used for each variable. It is shown that an arbitrary continuous function on the right side of the equation can be represented as the sum of four continuous functions, one from each symmetry class. Using the Bubnov−Galerkin method, a solution is found numerically in each of the 4 symmetry classes of functions; the solution to the problem is equal to the sum of four partial solutions. In the first part of the work, 3 lemmas and a theorem are proved − a criterion for a solution to belong to a given parity class. We numerically solve four boundary value problems with the Poisson equation, the right side of which belongs to different parity classes. The uniform norm of the discrepancy in solving the problems is of the order of 10-8. Another advantage of the proposed algorithm is its high-speed performance; for example, it outperforms the vector sweep method for solving the Poisson equation by a factor of 5 to 10.

References

Волосов К. А. Построение решений квазилинейных параболических уравнений в параметрической форме // Дифференциальные уравнения. 2007. Т. 43, № 4. С. 492–497.

Бурский В. П. Некоторые новые методы исследования краевых задач для общих дифференциальных уравнений в частных производных // Теоретическая и математическая физика. 2024. Т. 218, № 1. С. 48–59.

Пикулин В. П., Похожаев С. И. Практический курс по уравнениям математической физики. М.: МЦНМО, 2004. 208 с.

Сухинов А. И., Чистяков А. Е., Никитина А. В. [и др.] Метод решения сеточных уравнений для задач гидродинамики в плоских областях// Математическое моделирование. 2023. Т. 35, № 3. С. 35–58.

Чернышов А. Д., Горяйнов В. В., Кузнецов С. Ф., Никифорова О. Ю. Применение быстрых разложений для построения точных решений задачи о прогибе прямоугольной мембраны под действием переменной нагрузки // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2021. Т. 70. С. 127–142.

Бурова И. Г., Алцыбеев Г. О. Применение сплайновых аппроксимаций второго порядка к решению интегральных уравнений второго рода // Вычислительные методы и программирование. 2025. Т. 26, № 2. С. 175–191.

Шапеев В. П., Беляев В. А. Решение краевых задач для уравнений с частными производными в треугольных областях методом коллокации и наименьших квадратов // Вычислительные методы и программирование. 2018. Т. 19, № 1. С. 96–111.

Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: учеб. пособие для студентов физико-математических специальностей высших учебных заведений. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 636 с.

Волосова Н.К., Волосов К.А., Волосова А.К. [и др.]. Модифицированный метод Бубнова–Галеркина для решения краевых задач с линейным обыкновенным дифференциальным уравнением // Computational Mathematics and Information Technologies. 2024. Т. 8, № 3. С. 23–33.

Волосова Н. К., Волосов К. А., Волосова А. К. [и др.]. Решение краевых задач для некоторых нелинейных дифференциальных уравнений методом Бубнова–Галеркина // Computational Mathematics and Information Technologies. 2025. Т. 9, № 1. С. 7–19.

Алексеев В. М., Галеев Э. М., Тихомиров В. М. Сборник задач по оптимизации: Теория. Примеры. Задачи. М.: Физматлит, 2008. 255 с.

Downloads

Published

2026-10-23

How to Cite

Symmetric Systems of Coordinate Functions for Homogeneous Boundary Value Problems on a Rectangle With Partial Differential Equations. (2026). BULLETIN OF PERM UNIVERSITY. MATHEMATICS. MECHANICS. COMPUTER SCIENCE, 3 (74), 30-48. https://doi.org/10.17072/1993-0550-2026-3-30-48