International Science and Technology Journal

Home < Articles < Article Details

A Novel Spectral Homotopy Perturbation Method for Time-Fractional Partial Differential Equations: Convergence Analysis and Applications in Diffusion and Fluid Dynamics

الملخص
تُعد المعادلات التفاضلية الجزئية الكسرية أداة أساسية لنمذجة الظواهر الديناميكية المعقدة عبر مختلف التخصصات العلمية. ومع ذلك، لا يزال حل معظم هذه المعادلات تحليلياً يمثل تحدياً كبيراً. تقترح هذه الدراسة طريقة الاضطراب التجانسي الطيفي (SHPM)، التي تدمج بين مرونة طريقة الاضطراب التجانسي والدقة العالية للتحويلات شبه الطيفية باستخدام متعددات حدود تشيبيشيف. وتوفر الطريقة براهين تقارب رياضية صارمة بالاستناد إلى مبرهنة باناخ للنقطة الثابتة، مع تحديد حدود صريحة للخطأ. وتُظهر التطبيقات العددية على معادلة الانتشار الكسرية الزمنية ومعادلة جريان الغشاء الرقيق الكسري دقة عالية، حيث تراوح الحد الأقصى للخطأ المطلق بين 〖 10〗^(-4)و 10^(-15). ويكشف التحليل المقارن أن الطريقة تحقق دقة متفوقة بتكلفة حسابية معقولة، مما يجعلها أداة كفؤة وفعالة لحل المسائل الكسرية في مجالات الرياضيات التطبيقية والهندسة................ الكلمات المفتاحية:........... المعادلات التفاضلية الجزئية الكسرية، طريقة اضطراب التجانس الطيفية، طريقة اضطراب التجانس، طريقة تشيبيشيف شبه الطيفية، تحليل التقارب، معادلة الانتشار، ديناميكا الموائع.
Abstract
Fractional partial differential equations are essential for modeling complex dynamical phenomena across scientific disciplines. However, most remain difficult to solve analytically. This paper proposes the Spectral Homotopy Perturbation Method (SHPM), combining the Homotopy Perturbation Method with Chebyshev pseudo-spectral transformations. The method provides rigorous convergence proofs via the Banach Fixed Point Theorem and explicit error bounds. Numerical applications to the time-fractional diffusion equation and fractional thin film flow equation demonstrate accuracy with maximum absolute errors ranging from 10⁻⁴ to 10⁻¹⁵. Comparative analysis shows SHPM achieves superior accuracy with reasonable computational effort, making it an efficient tool for fractional problems in applied mathematics and engineering.................... Keywords:..............Fractional Partial Differential Equations, Spectral Homotopy Perturbation Method, Homotopy Perturbation Method, Chebyshev Pseudo-Spectral Method, Convergence Analysis, Diffusion Equation, Fluid Dynamics