یک روش تکراری پارامتری طیفی برای حل مدل جمعیت ولترا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (نظری)

نویسندگان

1 استادیار، گروه علوم پایه،‌ دانشکده شهید مهاجر، دانشگاه فنی و حرفه ای، تهران، ایران.

2 دانشیار، گروه ریاضی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

3 استادیار، گروه ریاضی کاربردی، دانشکده علوم ریاضی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران.

10.48301/kssa.2021.288686.1556

چکیده

معادلات انتگرال در شاخه‌های مختلف ریاضی و ریاضی فیزیک به‌طور گسترده‌ای ظاهر می‌شوند و بسیاری از مسائل مقدار اولیه و مقدار مرزی مربوط به معادلات دیفرانسیل معمولی و جزئی می‌توانند به معادلات انتگرال تبدیل و حل گردند. در روش‌های صریح، عموماً اگر نقاط گره‌ای بسیار زیاد باشد یک تقریب خوب از جواب را برای معادله‌ی سخت فراهم می‌کنند. اما از نقطه نظر محاسباتی این موضوع قابل قبول و به صرفه نیست، زیرا نیازمند هزینه‌ی بالای محاسبات و صرف زمان زیادی می‌باشد. لذا، روش‌های ضمنی پیشنهاد می‌شود، که برای به‌ دست آوردن جواب تقریبی باید یک دستگاه غیرخطی از معادلات را با استفاده از روش ژاکوبین حل نماییم. از طرفی، با اضافه کردن تعداد گره‌ها و افزایش بعد ماتریس بررسی همگرایی و پایداری یک مشکل جدی خواهد بود. در این مقاله، یک روش ترکیبی صریح براساس روش تکراری پارامتری و روش هم‌محلی طیفی برای شبیه‌سازی جواب مدل ولترای غیرخطی سخت که برای رشد جمعیت یک گونه در یک سیستم بسته استفاده می‌شود، ارائه می‌دهیم. روش ارائه شده اینجا دارای این مزیت است که به حل دستگاه غیرخطی که در ارزیابی ژاکوبین به آن برخورد می‌کنیم، نیازی نیست. اینجا، ابتدا معادله‌ی جمعیت ولترای غیرخطی به یک دستگاه غیرخطی متناظر تبدیل می‌شود. سپس یک جمله‌ی خطی به قسمت دیفرانسیلی معادله اضافه می‌شود. این جمله خطی اضافه شده می‌تواند به پایداری روش کمک کند، چون جواب‌ها در این حالت بر اساس توابع نمایی بیان می‌شوند. در ضمن پارامتر کمکی درون روش باعث همگرایی سریع روش می‌شود. نتایج به دست آمده در این مقاله عملکرد عالی روش توسعه یافته را نمایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A Spectral Parametric Iteration Method for Solving Volterra Population Model

نویسندگان [English]

  • Mahmood Parsamanesh 1
  • Majid Erfanian 2
  • Asghar Ghorbani 3
1 Assistant professor, Department of science, Faculty of Mohajer, Isfahan branch, Technical and Vocational University, Tehran, Iran.
2 Associate professor, Department of Mathematics, Faculty of science, University of Zabol, Zabol, Iran
3 Assistant professor, Department of Applied Mathematics, Faculty of Mathematical sciences, Ferdowsi University, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Integral equations are widely used in various branches of mathematics and mathematical physics, and many problems of initial value and boundary value which are related to ordinary and partial differential equations can be converted to integral equations and then be solved. The explicit methods generally provide a good approximation of the answer to a stiff problem if there are too many node points. However, from the computational point of view, this is not acceptable nor cost-effective. Because it requires high computational costs and more time for evaluations, implicit methods are proposed, in which to obtain an approximate solution we must solve a nonlinear system of equations using the Jacobin method. In addition, by increasing the number of nodes and increasing the matrix dimension, examining convergence and stability is a serious problem. In this paper, a hybrid explicit method based on the parametric iteration method and the spectral collocation method was developed for simulating the solution of the nonlinear stiff Volterra’s model for population growth of a species within a closed system. The method derived here has the advantage that it does not require the solution of nonlinear systems of equations encountered in the Jacobian evaluation. The results obtained in the present work demonstrate excellent performance of the developed method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spectral parametric iteration method
  • Volterra’s population model
  • Chebyshev spectral collocation
  • Stiff system
Al-Khaled, K. (2005). Numerical approximations for population growth models. Applied Mathematics and Computation, 160(3), 865-873. https://doi.org/10.1016/j.amc.20 03.12.005
Askari, N., & Taheri, M. H. (2020). Numerical Investigation of a MHD Natural Convection Heat Transfer Flow in a Square Enclosure with Two Heaters on the Bottom Wall. Karafan Quarterly Scientific Journal, 17(1), 97-114. https://doi.org/10.48301/kssa.20 20.112759
Ghorbani, A. (2008). Toward a new analytical method for solving nonlinear fractional differential equations. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197(49-50), 4173-4179. https://doi.org/10.1016/j.cma.2008.04.015
Ghorbani, A., & Saberi-Nadjafi, J. (2011). A piecewise-spectral parametric iteration method for solving the nonlinear chaotic Genesio system. Mathematical and Computer Modelling, 54(1), 131-139. https://doi.org/10.1016/j.mcm.2011.01.044
Mohammad Khani Haji KhajeLu, b., & Maleki, M. (2020). Experimental Investigation of Dynamic Density of Aluminum Powder under High Speed Loading. Karafan Quarterly Scientific Journal, 17(1), 147-163. https://doi.org/10.48301/kssa.2020.112762
Scudo, F. M. (1971). Vito Volterra and theoretical ecology. Theoretical Population Biology, 2(1), 1-23. https://doi.org/10.1016/0040-5809(71)90002-5
Shabani, M., Farokhzad, F., & Shojaei, F. (2019). Numerical analysis of the effects of clay blanket and cut-off wall on reducing seepage from earth dam foundation. Karafan Quarterly Scientific Journal, 16(45), 107-126. https://karafan.tvu.ac.ir/article_10053 5.html?lang=en
Small, R. D. (1983). Population growth in a closed system. Society for Industrial and Applied Mathematics review, 25(1), 93-95. https://doi.org/10.1137/1025005
TeBeest, K. G. (1997). Classroom Note: numerical and analytical solutions of Volterra's population model. Society for Industrial and Applied Mathematics review, 39(3), 484-493. https://doi.org/10.1137/S0036144595294850
Trefethen, L. N. (2000). Spectral methods in MATLAB. Society for Industrial and Applied Mathematics. https://dl.acm.org/doi/book/10.5555/357801
Wazwaz, A.-M. (1999). Analytical approximations and Padé approximants for Volterra's population model. Applied Mathematics and Computation, 100(1), 13-25. https://doi. org/10.1016/S0096-3003(98)00018-6
Weideman, J. A., & Reddy, S. C. (2000). A MATLAB differentiation matrix suite. ACM Transactions on Mathematical Software 26(4), 465-519. https://doi.org/10.1145/36 5723.365727