Numerical Analysis of Variable-Order Time-Fractional Differential Equations with Nonlocal Boundary Conditions: A Stable and Efficient Scheme
Researcher(s):
Khadiga Ben Mussa
Massuoda Tarjam
Sana M. Al Qadhi
Institution:
Department of Mathematics, Faculty of Science, University of Tripoli,Libya
Field:
General Sciences: Mathematics, Statistics and Physics
Published in:
39th volume - July 2026
الملخص
تتناول هذه الورقة معادلة انتشار كسرية زمنية ذات رتبة متغيرة خاضعة لشرط حدي تكاملي غير محلي. ويؤدي تغير الرتبة الكسرية مع الزمن، إلى جانب الاقتران الحدّي الشامل وتراكم حدود الذاكرة، إلى زيادة صعوبة التحليل والتنفيذ العددي. جرى بناء مخطط فروق منتهية ضمني بالكامل؛ إذ قُرّبت مشتقة كابوتو ذات الرتبة المتغيرة بصيغة L1 على شبكة زمنية منتظمة، وقُرّب المؤثر المكاني بفروق مركزية من الدرجة الثانية. أُدمج الشرط الحدّي غير المحلي بالحذف، فنتج تعديل من الرتبة الأولى لنظام ثلاثي القطر يمكن حله بكفاءة باستخدام صيغة شيرمان-موريسون. تحت افتراضات الانتظام وحسن الوضع المنفصل، يحقق المخطط استقراراً غير مشروط وتقدير خطأ من الرتبة O(h^2+Δt^(2-α_max ) ). أكدت التجارب العددية معدل التقارب الزمني المتوقع، وأظهرت أن تقصير الذاكرة يقلل الكلفة الحسابية لكنه قد يرفع الخطأ بصورة ملحوظة. ويوصى في المحاكاة طويلة الزمن باستخدام ضغط سريع للذاكرة بدلاً من القطع الشديد للسجل الزمني.................
الكلمات المفتاحية: .............مشتقة كابوتو ذات الرتبة المتغيرة؛ الانتشار الكسري الزمني؛ الشروط الحدية غير المحلية؛ مخطط L1؛ الاستقرار؛ التقارب؛ الذاكرة السريعة.
Abstract
Variable-order time-fractional diffusion models describe systems whose memory intensity evolves with time, but their numerical treatment is complicated by changing history kernels, global nonlocal boundary coupling, and the growing cost of memory terms. This paper develops a fully discrete implicit finite-difference scheme for a variable-order Caputo diffusion equation subject to an integral nonlocal boundary condition. The time derivative is approximated by a variable-order L1 formula on a uniform time grid, while the spatial operator is discretised by second-order central differences. Eliminating the nonlocal boundary value produces a rank-one modification of a tridiagonal system, which is solved efficiently by the Sherman-Morrison formula. Under stated regularity and discrete well-posedness assumptions, the method is unconditionally stable and satisfies an error estimate of order O(h^2+Δt^(2-α_max ) ). The manufactured-solution tests reproduce the expected temporal rate, satisfy the nonlocal boundary relation to machine precision, and quantify the loss of accuracy caused by short-memory truncation. For long simulations, fast history compression is preferable to aggressive truncation..............
Keywords: ................variable-order Caputo derivative; time-fractional diffusion; nonlocal boundary conditions; L1 scheme; stability; convergence; fast memory.