In this paper, an initial value method for solving a class of singularly perturbed delay differential equations with layer behavior is proposed. In this approach, first the given problem is modified in to an equivalent singularly perturbed problem by approximating the term containing the delay using Taylor series expansion. Then from the modified problem, two explicit Initial Value Problems which are independent of the perturbation parameter, ${\varepsilon}$, are produced: the reduced problem and boundary layer correction problem. Finally, these problems are solved analytically and combined to give an approximate asymptotic solution to the original problem. To demonstrate the efficiency and applicability of the proposed method three linear and one nonlinear test problems are considered. The effect of the delay on the layer behavior of the solution is also examined. It is observed that for very small ${\varepsilon}$ the present method approximates the exact solution very well.
A second order nonlinear ordinary differential equation is obtained by solving the initial-boundary value problem of a class of elas-todynamics equations, which models the radially symmetric motion of a incompressible hyper-elastic solid sphere under a suddenly applied surface tensile load. Some new conclusions are presented. All existence conditions of nonzero solutions of the ordinary differential equation, which describes cavity formation and motion in the interior of the sphere, are presented. It is proved that the differential equation has singular periodic solutions only when the surface tensile load exceeds a critical value, in this case, a cavity would form in the interior of the sphere and the motion of the cavity with time would present a class of singular periodic oscillations, otherwise, the sphere remains a solid one. To better understand the results obtained in this paper, the modified Varga material is considered simultaneously as an example, and numerical simulations are given.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.26
no.4
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pp.185-223
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2022
The classical equation of Jonathan Homer Lane and Robert Emden, a nonlinear second-order ordinary differential equation, models the isothermal spherical clouded gases under the influence of the mutual attractive interaction between the gases' molecules. In this paper, the Adomian decomposition method (ADM) is presented to obtain highly accurate and reliable analytical solutions of a class of generalised Lane-Emden equations with strong nonlinearities. The nonlinear term f(y(x)) of the proposed problem is given by the integer powers of a continuous real-valued function h(y(x)), that is, f(y(x)) = hm(y(x)), for integer m ≥ 0, real x > 0. In the end, numerical comparisons are presented between the analytical results obtained using the ADM and numerical solutions using the eighth-order nested second derivative two-step Runge-Kutta method (NSDTSRKM) to illustrate the reliability, accuracy, effectiveness and convenience of the proposed methods. The special cases h(y) = sin y(x), cos y(x); h(y) = sinh y(x), cosh y(x) are considered explicitly using both methods. Interestingly, in each of these methods, a unified result is presented for an integer power of any continuous real-valued function - compared with the case by case computations for the nonlinear functions f(y). The results presented in this paper are a generalisation of several published results. Several examples are given to illustrate the proposed methods. Tables of expansion coefficients of the series solutions of some special Lane-Emden type equations are presented. Comparisons of the two results indicate that both methods are reliably and accurately efficient in solving a class of singular strongly nonlinear ordinary differential equations.
In this paper we consider the orthogonal polynomials with weights ${\omega}_{\alpha}(x)=x^{\alpha}{\exp}(-x^3+tx)$ and $W_{\alpha}(x)={\mid}x{\mid}^{2{\alpha}+1}{\exp}(-x^6+tx^2)$. Using the compatibility conditions for the ladder operators for these orthogonal polynomials, we derive several difference equations satisfied by the recurrence coefficients of these orthogonal polynomials. We also derive differential-difference equations and second order linear ordinary differential equations satisfied by these orthogonal polynomials.
This paper deals with numerical treatment of singularly perturbed differential equations involving small delays. The highest order derivative in the equation is multiplied by a perturbation parameter 𝜀 taking arbitrary values in the interval (0, 1]. For small 𝜀, the problem involves a boundary layer of width O(𝜀), where the solution changes by a finite value, while its derivative grows unboundedly as 𝜀 tends to zero. The considered problem contains delay on the convection and reaction terms. The terms with the delays are approximated using Taylor series approximations resulting to asymptotically equivalent singularly perturbed BVPs. Inducing exponential fitting factor for the term containing the singular perturbation parameter and using central finite difference for the derivative terms, numerical scheme is developed. The stability and uniform convergence of difference schemes are studied. Using a priori estimates we show the convergence of the scheme in maximum norm. The scheme converges with second order of convergence for the case 𝜀 = O(N-1) and for the case 𝜀 ≪ N-1, the scheme converge uniformly with first order of convergence, where N is number of mesh intervals in the domain discretization. We compare the accuracy of the developed scheme with the results in the literature. It is found that the proposed scheme gives accurate result than the one in the literatures.
In this paper, an existence theorem for a nonlinear two point boundary value problem of second order differential equations in Banach algebras is proved using a nonlinear alternative based on Leray-Schauder alternative.
The method of quasilinearization generates a monotone iteration scheme whose iterates converge quadratically to a unique solution of the problem at hand. In this paper, we apply the method to two families of three-point boundary value problems for second order ordinary differential equations: Linear boundary conditions and nonlinear boundary conditions are addressed independently. For linear boundary conditions, an appropriate Green\`s function is constructed. Fer nonlinear boundary conditions, we show that these nonlinearities can be addressed similarly to the nonlinearities in the differential equation.
We analyze the spectral collocation approximation for a parabolic partial integrodifferential equations(PIDE) with a weakly singular kernel. The space discretization is based on the spectral collocation method and the time discretization is based on Crank-Nicolson scheme with a graded mesh. We obtain the stability and second order convergence result for fully discrete scheme.
This work considers the existence and uniqueness of fuzzy solutions for impulsive abstract partial neutral functional differential systems. To establish the existence and uniqueness, we apply the concept of impulse, semi group theory and suitable fixed point theorem.
A modified discretization ABS algorithm for solving a class of singular nonlinear systems, F($\chi$)=0, where $\chi$, F $\in$$R^n$, is presented, constructed by combining a discretization ABS algorithm arid a method of Hoy and Schwetlick (1990). The second order differential operation of F at a point is not required to be calculated directly in this algorithm. Q-quadratic convergence of this algorithm is given.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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