Computational Performance Optimization in Solving Singular Boundary Value Problems: A Comparative Study of Finite Difference and Collocation Methods

سال انتشار: 1405
نوع سند: مقاله ژورنالی
زبان: انگلیسی
مشاهده: 13

فایل این مقاله در 19 صفحه با فرمت PDF قابل دریافت می باشد

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این مقاله:

شناسه ملی سند علمی:

JR_COAM-11-2_010

تاریخ نمایه سازی: 13 خرداد 1405

چکیده مقاله:

This paper presents a systematic comparative study of two widely used numerical solvers --- HOFiD_bvp (high-order finite difference scheme) and bvp۴c (collocation-based) --- for solving singular second-order ordinary differential equations (ODEs) with first-kind (regular) boundary singularities. Four representative benchmark problems drawn from fluid dynamics, materials science, and radially symmetric diffusion models are used to evaluate solver performance across key metrics: maximum residual, maximum error, mesh point count, and ODE/BC function call counts. Results show that HOFiD_bvp consistently achieves lower residuals and errors with fewer function evaluations, making it computationally more efficient. Conversely, bvp۴c demonstrates superior robustness for nonlinear singular problems and offers better adaptive mesh refinement capabilities. These findings provide practical guidance for selecting the appropriate numerical technique in applied science and engineering contexts, with implications for optimization of computational simulation workflows.

نویسندگان

Saad Qasim Abbas

Department of Medical Instruments Engineering Techniques, University of Bilad Alrafidain, Iraq

Wasan Saad Ahmed

Computer Science Department, University of Diyala, Iraq

مراجع و منابع این مقاله:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود مقاله لینک شده اند :
  • Abeldinov, Y. (۲۰۲۵). “Numerical methods for solving direct and inverse ...
  • Adams, M., Muir, P. (۲۰۲۴). “Differential equation software for the ...
  • Ahmed, H.M., Abd-Elhameed, W.M. (۲۰۲۴). “Spectral solutions of specific singular ...
  • Al Arfaj, K., Levesley, J. (۲۰۲۳). “Lagrange radial basis function ...
  • Al-Doori, V.S., Abbas, S.Q., Kulikov, O., Ismail, M.N. (۲۰۲۴). “Home ...
  • Alshanti, W.G., Batiha, I.M., Hammad, M.A., Khalil, R. (۲۰۲۳). “A ...
  • Amodio, P., Settanni, G. (۲۰۰۹). “A deferred correction approach to ...
  • Arifeen, S.U., Haq, S., Ghafoor, A., Ullah, A., Kumam, P., ...
  • Ascher, U., Christiansen, J., Russell, R.D. (۱۹۸۱). “Algorithm ۵۶۹: COLSYS: ...
  • Auzinger, W., Fallahpour, M., Koch, O., Weinmüller, E. (۲۰۲۴). “Implementation ...
  • Balluffi, R.W., Allen, S.M., Carter, W.C. (۲۰۰۵). “Diffusion as a ...
  • Bandyopadhyay, S., Kunkel, C.J. (۲۰۲۵). “Existence result for singular second-order ...
  • Chen, S.B., Shahmir, N., Ramzan, M., Sun, Y.L., Aly, A.A., ...
  • Ctor León, V., Scárdua, B. (۲۰۲۴). “Regularity, synthesis, rigidity and ...
  • Cui, X., Xia, Y. (۲۰۲۲). “Second-order differential equation with indefinite ...
  • Datsko, B.Y., Kutniv, M.V. (۲۰۲۵). “Explicit numerical methods for solving ...
  • Drazin, P.G. (۱۹۸۳). Solitons. Cambridge University Press. https://doi.org/۱۰. ۱۰۱۷/CBO۹۷۸۰۵۱۱۶۶۲۸۴۳ ...
  • Egidi, N., Giacomini, J., Maponi, P. (۲۰۲۳). “A perturbative approach ...
  • Ergashev, T.G. (۲۰۲۰). “Solving the Dirichlet and Holmgren problems for ...
  • Filipuk, G., Kecker, T. (۲۰۲۲). “On singularities of certain non-linear ...
  • File, G., Gadisa, G., Aga, T., Reddy, Y.N. (۲۰۱۷). “Numerical ...
  • Hamidizadeh, K., Manaviyat, R., Mirvakili, S., Davvaz, B. (۲۰۲۴). “Application ...
  • Heinonen, J., Kilpeläinen, T., Martio, O. (۲۰۱۸). Nonlinear Potential Theory ...
  • Hohenegger, M., Settanni, G., Weinmüller, E.B., Wolde, M. (۲۰۲۴). “Numerical ...
  • Jajarmi, A., Baleanu, D. (۲۰۱۸). “Suboptimal control of fractional-order dynamic ...
  • Koltape, L.T., Hojjati, G., Fazeli, S., Abdi, A. (۲۰۲۴). “Super ...
  • Kutluay, S., Murat, Y., Karakas, A.S. (۲۰۲۳). “A robust septic ...
  • Li, M.M., Parise, D., Sarnataro, L. (۲۰۲۴). “Boundary behavior of ...
  • Liu, C.S., Chang, C.W., Kuo, C.L. (۲۰۲۴). “Numerical analysis for ...
  • Mohamed, Z., Yousif, M., Hamza, A.E. (۲۰۲۲). “Solving nonlinear fractional ...
  • Nur, C. (۲۰۲۱). “On the estimates of periodic eigenvalues of ...
  • Omar, S.S., Ahmed, W.S., Ismail, M.N., Sieliukov, O. (۲۰۲۴). “In-depth ...
  • Scott, D.R., Stevenson, D.J. (۱۹۸۴). “Magma solitons.” Geophysical Research Letters, ...
  • Seiler, W.M., Seiß, M. (۲۰۲۴). “Singular initial value problems for ...
  • Settanni, G. (۲۰۲۴). “Potentiality of the HOFiD_bvp code in solving ...
  • Shampine, L.F., Gladwell, I., Thompson, S. (۲۰۰۳). Solving ODEs with ...
  • Stoer, J., Bulirsch, R. (۱۹۸۰). Introduction to Numerical Analysis (Chapter ...
  • Trogdon, T. (۲۰۲۴). “The ultraspherical rectangular collocation method and its ...
  • Xin, Y., Cui, X., Liu, J. (۲۰۲۰). “An exact expression ...
  • Yücel, U. (۲۰۱۵). “Numerical approximations of Sturm–Liouville eigenvalues using Chebyshev ...
  • Zhu, H.L. (۲۰۲۲). “General solutions’ laws of linear partial differential ...
  • نمایش کامل مراجع