In this section, we introduce the forms for n-dimensional trigonometric cubic B-splines.
One-dimensional trigonometric cubic B-spline [31]
Let \(a\leq x\leq b\), and let \(\phi _{i} (x)\) be trigonometric cubic B-spline with knots at the points \(x_{i} \). Then the set of cubic B-splines \(\phi _{-1} (x), \phi _{0} (x), \ldots, \phi _{N-1} (x), \phi _{N} (x)\), \(\phi _{N+1} \) serves as a basis for functions specified over a range of values. The approximation \(U^{N} (x)\) of \(U(x)\) using these splines is defined as
$$\begin{aligned} U^{N} (x)=\sum_{i=-1}^{N+1} \chi _{i} \phi _{i} (x), \end{aligned}$$
(1)
where \(\chi _{i} \) are unknown coefficients. We define \(U_{i}\), \(\frac{d U_{i} }{d x}, \frac{d^{2} U_{i} }{d x^{2} } \) by
$$\begin{aligned} \begin{aligned} &U_{i} = \aleph _{1} \chi _{i-1} +\aleph _{2} \chi _{i} +\aleph _{1} \chi _{i+1}, \\ & {\frac{d U_{i} }{d x} = -\aleph _{3} \chi _{i-1} +\aleph _{3} \chi _{i+1}, } \\ & \frac{d^{2} U_{i} }{d x^{2} } = \aleph _{4} \chi _{i-1} +\aleph _{5} \chi _{i} +\aleph _{4} \chi _{i+1}, \end{aligned} \end{aligned}$$
(2)
where
$$\begin{aligned} &\aleph _{1}=\sin ^{2} \biggl(\frac{\text{h}}{2} \biggr) \csc (h)\csc \biggl( \frac{\text{3h}}{2} \biggr),\qquad \aleph _{2}= \frac{\text{2}}{1+2\cos (h)}, \qquad\aleph _{3}=\frac{\text{3}}{4}\csc \biggl( \frac{\text{3h}}{2} \biggr), \\ &\aleph _{4}= \frac{3 ((1+3\cos (h))\csc ^{2} (\frac{\text{h}}{2} ) )}{16 (2\cos (\frac{\text{h}}{2} )+\cos (\frac{\text{3h}}{2} ) )},\qquad \aleph _{5}= \frac{-3\cot ^{2} (\frac{\text{h}}{2} )}{2+4\cos (h)}. \end{aligned}$$
The above analysis yields the following theorem.
Theorem 1
The solution of one-dimensional DE using the collocation method with basis trigonometric cubic B-spline can be determined by equation (2).
Two-dimensional trigonometric cubic B-spline
In this subsection, we give a formula for a two-dimensional trigonometric cubic B-spline on a rectangular grid divided into regular rectangular finite elements on both sides. \(h=\Delta x, k=\Delta y\) by the knots \((x_{m}, y_{n} )\), \(m=0,1,\ldots,M, n=0,1,\ldots,N\). The approximation \(U^{N} (x,y)\) of \(U(x,y)\) is given by
$$\begin{aligned} U^{N}(x, y)=\sum_{m=-1}^{M+1} \sum_{n=-1}^{N+1}\chi _{m, n} B_{m,n} (x,y), \end{aligned}$$
(3)
where \(\chi _{m, n} \) are the amplitudes of the trigonometric cubic B-splines \(B_{m, n} (x,y)\) given by
$$\begin{aligned} B_{m, n} (x,y)=\phi _{m} (x) \phi _{n} (y). \end{aligned}$$
Peaks on the knot \((x_{m},y_{n})\) and \(\phi _{m} (x), \phi _{n} (y)\) are identical in form to the one-dimensional trigonometric cubic B-splines. Then \(U_{m,n}, \frac{\partial U_{m,n} }{\partial x}, \frac{\partial U_{m,n} }{\partial y}, \frac{\partial ^{2} U_{m,n} }{\partial x^{2} } \), \(\frac{\partial ^{2} U_{m,n} }{\partial y^{2} }, \frac{\partial ^{2} U_{m,n} }{\partial x\, \partial y }, \dots \) are given by
$$\begin{aligned} &\begin{aligned} U_{m, n} ={}& \frac{\sec (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} )}{4 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1)} \\ & {}\times\biggl(16 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m,n}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1} \\ &{}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n}+4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n}+\chi _{m-1,n-1} \\ &{}+\chi _{m-1,n+1}+\chi _{m+1,n-1}+\chi _{m+1,n+1} \biggr), \end{aligned} \end{aligned}$$
(4)
$$\begin{aligned} &\begin{aligned} \frac{\partial U_{m, n} }{\partial x} ={}&{-} \frac{3 \csc (\frac{3 h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} )}{16 \cos (k)+8} \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n}-4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n} \\ &{} +\chi _{m-1,n-1}+\chi _{m-1,n+1}-\chi _{m+1,n-1}- \chi _{m+1,n+1} \biggr), \\ \frac{\partial U_{m, n} }{\partial y} ={}&{-} \frac{3 \sec (\frac{h}{2} ) \csc (\frac{3 k}{2} )}{16 \cos (h)+8} \biggl(4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1}-4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1} \\ &{} +\chi _{m-1,n-1}-\chi _{m-1,n+1}+\chi _{m+1,n-1}- \chi _{m+1,n+1} \biggr), \end{aligned} \end{aligned}$$
(5)
$$\begin{aligned} &\begin{aligned} \frac{\partial ^{2} U_{m, n} }{\partial x^{2} } ={}& \frac{3 \csc ^{2} (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{h}{2} )}{32 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1)} \\ &{}\times \biggl(\sec \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \biggl(-8 \cos ^{3} \biggl( \frac{h}{2} \biggr) (\chi _{m,n-1}+\chi _{m,n+1} )+ \bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n+1} \\ &{}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m+1,n-1} \biggr)+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \sec \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1} \\ &{}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \sec \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1}+4 \biggl(-8 \cos ^{3} \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n} \\ &{}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m+1,n} \biggr) \biggr), \end{aligned} \end{aligned}$$
(6)
$$\begin{aligned} &\begin{aligned} &\frac{\partial ^{2} U_{m, n} }{\partial y^{2} } \\ &\quad= \frac{3}{32 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1)} \biggl(-8 \sec \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \cot ^{2} \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n} \\ &\qquad{}+\cot ^{2} \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \biggl(\sec \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \sec ^{3} \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n-1}+\chi _{m-1,n+1} \biggr)-8 \sec \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m-1,n}-32 \chi _{m,n} \biggr)+ \sec \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \\ & \qquad{}\times\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \csc ^{2} \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \sec \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1}+\sec \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \csc ^{2} \\ & \qquad{}\times\biggl(\frac{k}{2} \biggr) \sec \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1}+4 \bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \csc ^{2} \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \sec \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m,n+1} \biggr), \\ &\quad\vdots \end{aligned} \end{aligned}$$
(7)
The above analysis yields the following theorem.
Theorem 2
The solution of a two-dimensional DE using the collocation method with basis trigonometric cubic B-spline can be determined by equations (4)–(7).
Three-dimensional trigonometric cubic B-spline
Now we obtain the trigonometric cubic B-spline in three dimensions on a framework divided into components of sides \(h=\Delta x, k=\Delta y, q=\Delta z\) by the knots \((x_{m}, y_{n}, z_{r} )\), \(m=0,1,\ldots,M, n=0,1,\ldots,N, r=0,1,\ldots,R\). Functions can be interpolated in terms of piecewise trigonometric cubic B-splines: If \(U(x, y, z)\) is a function of \(x, y\), and z, then it can be shown that there exists a unique approximation
$$\begin{aligned} U^{N}(x, y, z)=\sum_{m=-1}^{M+1} \sum_{n=-1}^{N+1}\sum _{r=-1}^{R+1} \chi _{m, n, r} B_{m,n,r} (x,y,z), \end{aligned}$$
(8)
where \(\chi _{m, n, r} \) are the trigonometric cubic B-spline amplitudes, and \(B_{m, n, r} (x,y,z)\) are given by
$$\begin{aligned} B_{m, n, r} (x,y,z)=\phi _{m} (x) \phi _{n} (y) \phi _{r} (z). \end{aligned}$$
Also, \(\phi _{m} (x),\phi _{n} (y)\), and \(\phi _{r} (z)\) have the same shape as trigonometric cubic B-splines in one dimension. The compositions of \(U_{m,n,r}, \frac{\partial U_{m,n,r} }{\partial x}, \frac{\partial U_{m,n,r} }{\partial y}, \frac{\partial U_{m,n,r} }{\partial z}\), \(\frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial x^{2} }, \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial y^{2} }, \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial z^{2} }, \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial y }, \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial z }, \dots \), are given in terms of \(\chi _{m,n,r} \) by
$$\begin{aligned} &U_{m, n, r} \\ &\quad= \frac{\sec (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} )}{8 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} \biggl(\sec \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \biggl(\chi _{m,n,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m,n,r+1}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n,r} \biggr)+\chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r}+4 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r}+\chi _{m,n-1,r+1}+\chi _{m,n+1,r+1} \biggr) \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1}+4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) ( \chi _{m-1,n,r}+\chi _{m+1,n,r} ) \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n,r-1}+\chi _{m-1,n,r+1}+\chi _{m+1,n,r-1}+ \chi _{m+1,n,r+1} \biggr)+\chi _{m-1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n-1,r+1}+\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr)+4 (\chi _{m-1,n-1,r} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n+1,r}+\chi _{m+1,n-1,r}+\chi _{m+1,n+1,r} ) \biggr), \end{aligned}$$
(9)
$$\begin{aligned} & \frac{\partial U_{m,n,r} }{\partial x} \\ &\quad =- \frac{3 \csc (\frac{3 h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{16 (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} \\ &\qquad{}\times \biggl(4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r}-\chi _{m+1,n,r} )+ \chi _{m-1,n+1,r}-\chi _{m+1,n-1,r} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n+1,r} \biggr)+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) ( \chi _{m-1,n,r-1}+\chi _{m-1,n,r+1}-\chi _{m+1,n,r-1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n,r+1} )+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1,r}+ \chi _{m-1,n-1,r-1}+\chi _{m-1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}-\chi _{m+1,n-1,r-1}-\chi _{m+1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n+1,r-1}-\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr), \\ & \frac{\partial U_{m,n,r} }{\partial y} \\ &\quad=- \frac{3 \sec (\frac{h}{2} ) \csc (\frac{3 k}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{16 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (q)+1)} \\ & \qquad{}\times\biggl(4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) (\chi _{m,n-1,r}-\chi _{m,n+1,r} )+ \chi _{m,n-1,r+1}-\chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}-\chi _{m,n+1,r+1} \biggr)+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n-1,r} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n+1,r}+\chi _{m+1,n-1,r}-\chi _{m+1,n+1,r} )+\chi _{m-1,n-1,r-1}+ \chi _{m-1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n+1,r-1}-\chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n+1,r-1}-\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr), \\ &\frac{\partial U_{m,n,r} }{\partial z} \\ &\quad =- \frac{3 \sec (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \csc (\frac{3 q}{2} )}{16 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1)} \\ &\qquad{}\times \biggl(4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m,n,r-1}-\chi _{m,n,r+1} )+ \chi _{m,n+1,r-1}-\chi _{m,n+1,r+1} \biggr) \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) (\chi _{m,n-1,r-1}-\chi _{m,n-1,r+1} )+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r-1} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n,r+1}+\chi _{m+1,n,r-1}-\chi _{m+1,n,r+1} )+\chi _{m-1,n-1,r-1}- \chi _{m-1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n+1,r-1}-\chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}-\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr), \end{aligned}$$
(10)
$$\begin{aligned} & \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial y } \\ &\quad = \frac{9 \csc (\frac{3 h}{2} ) \csc (\frac{3 k}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{64 \cos (q)+32} \biggl(4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1,r} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r}-4 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n-1,r-1}+\chi _{m-1,n-1,r+1}-\chi _{m-1,n+1,r-1}-\chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n-1,r-1}-\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr), \\ &\frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial z } \\ &\quad=\frac{9 \csc (\frac{3 h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \csc (\frac{3 q}{2} )}{64 \cos (k)+32} \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1}-4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n-1,r-1}-\chi _{m-1,n-1,r+1}+\chi _{m-1,n+1,r-1}-\chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1}-\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr), \\ & \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial y\,\partial z } \\ &\quad = \frac{9 \sec (\frac{h}{2} ) \csc (\frac{3 k}{2} ) \csc (\frac{3 q}{2} )}{64 \cos (h)+32} \biggl(4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}-4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n-1,r-1}-\chi _{m-1,n-1,r+1}-\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r-1}-\chi _{m+1,n-1,r+1}-\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr), \\ & \frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial y\,\partial z } \\ &\quad = \frac{1}{64} (-27) \csc \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \csc \biggl( \frac{3 k}{2} \biggr) \csc \biggl(\frac{3 q}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n-1,r+1}-\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}-\chi _{m+1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}-\chi _{m+1,n+1,r+1} ), \\ &\quad{} \vdots \end{aligned}$$
(11)
$$\begin{aligned} &\frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial x^{2} } \\ &\quad = \frac{3 \csc ^{2} (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} )}{64 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} \\ &\qquad{}\times \biggl(\sec \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \biggl(-6 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) ( \chi _{m,n,r-1}+\chi _{m,n,r+1} )+\chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m,n+1,r+1} \biggr)-2 \cos \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m,n,r-1}+\chi _{m,n,r+1} )+\chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m,n+1,r+1} \biggr)+3 \cos (h) \biggl(4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r-1}+\chi _{m-1,n,r+1}+\chi _{m+1,n,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n,r+1} )+\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}+ \chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr)-8 \cos ^{3} \biggl( \frac{h}{2} \biggr) (\chi _{m,n-1,r-1}+\chi _{m,n-1,r+1} ) \\ &\qquad{}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r+1}+4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times (\chi _{m-1,n,r-1}+\chi _{m-1,n,r+1}+\chi _{m+1,n,r-1}+\chi _{m+1,n,r+1} )+\chi _{m-1,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+ \chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr) \\ &\qquad{}+4 \biggl(-8 \cos ^{3} \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r}+\chi _{m,n-1,r}+ \chi _{m,n+1,r} \biggr)+4 \bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \\ &\qquad{}\times\cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r}+12 \cos (h) \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r} \\ &\qquad{}+3 \cos (h) \chi _{m-1,n+1,r}+3 \cos (h) \chi _{m+1,n-1,r}+3 \cos (h) \chi _{m+1,n+1,r}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times\chi _{m+1,n,r}+\chi _{m-1,n+1,r}+\chi _{m+1,n-1,r}+\chi _{m+1,n+1,r} \biggr) \biggr), \end{aligned}$$
(12)
$$\begin{aligned} &\frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial y^{2} } \\ &\quad = \frac{3 \sec (\frac{h}{2} ) \csc ^{2} (\frac{k}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) }{64 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} \biggl(\sec \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times (4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(-8 \cos ^{3} \biggl( \frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m,n,r-1}+\chi _{m,n,r+1} )+3 \cos (k) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m,n-1,r+1}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) (\chi _{m,n+1,r-1}+ \chi _{m,n+1,r+1} ) \biggr) \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1}-8 \cos ^{3} \biggl(\frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r-1}+\chi _{m-1,n,r+1} ) \\ &\qquad{}-6 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}-6 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r+1}+3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r+1}-2 \cos \biggl( \frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1} \\ &\qquad{}-2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} )+4 \biggl(4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \biggl(-8 \cos ^{3} \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r} \\ &\qquad{}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m,n-1,r}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m,n+1,r} \biggr)-8 \cos ^{3} \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r} \\ &\qquad{}-6 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r}+3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r}-2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r} \\ &\qquad{} +\chi _{m-1,n+1,r}+\chi _{m+1,n-1,r}+\chi _{m+1,n+1,r} \biggr) \biggr), \end{aligned}$$
(13)
$$\begin{aligned} & \frac{\partial ^{2} U_{m,n,r} }{\partial z^{2} } \\ &\quad = \frac{3 \sec (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \cot ^{2} (\frac{q}{2} )}{32 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} (-4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \sec ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \\ &\qquad {}\times\biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m,n,r-1}+\chi _{m,n,r+1} )+\chi _{m,n-1,r-1}+\chi _{m,n-1,r+1}+\chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m,n+1,r+1} \biggr)+3 \sec \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m,n,r-1}+\chi _{m,n,r+1} ) \\ &\qquad{}+\chi _{m,n+1,r-1}+\chi _{m,n+1,r+1} \biggr)+4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) (\chi _{m,n-1,r-1}+\chi _{m,n-1,r+1} ) \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r-1}+\chi _{m-1,n,r+1}+ \chi _{m+1,n,r-1}+\chi _{m+1,n,r+1} ) \\ &\qquad{}+\chi _{m-1,n-1,r-1}+\chi _{m-1,n-1,r+1}+\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}+ \chi _{m+1,n-1,r-1} \\ &\qquad {}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} \biggr)-16 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \biggl(4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times\chi _{m,n,r}+\chi _{m,n-1,r}+\chi _{m,n+1,r} \biggr)-4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \sec ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r-1}+ \chi _{m-1,n,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n,r-1}+\chi _{m+1,n,r+1} )-16 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) (\chi _{m-1,n,r}+\chi _{m+1,n,r} )- \sec ^{3} \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times (\chi _{m-1,n-1,r-1}+\chi _{m-1,n-1,r+1}+\chi _{m-1,n+1,r-1}+ \chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} )-4 (\chi _{m-1,n-1,r}+\chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r}+\chi _{m+1,n+1,r} ) ), \end{aligned}$$
(14)
$$\begin{aligned} & \frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial x^{2}\,\partial y } \\ &\quad = \frac{9 \csc ^{2} (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{h}{2} ) \csc (\frac{3 k}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{128 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (q)+1)} (-4 \bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \\ & \qquad{}\times\cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1,r}+6 \cos \biggl(h+ \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r}+6 \cos \biggl(h-\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+12 \cos \biggl(\frac{h-q}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r}+12 \cos \biggl( \frac{h+q}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r}+4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 h-q) \biggr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m,n-1,r}+4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 h+q) \biggr) \chi _{m,n-1,r}-12 \cos \biggl(\frac{h-q}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r} \\ &\qquad{}-12 \cos \biggl(\frac{h+q}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r}-4 \cos \biggl( \frac{1}{2} (3 h-q) \biggr) \chi _{m,n+1,r}-4 \cos \biggl( \frac{1}{2} (3 h+q) \biggr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m,n+1,r}-6 \cos \biggl(h+\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}-6 \cos \biggl(h-\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(h+\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}+6 \cos \biggl(h- \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}-\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m-1,n-1,r-1}-3 \cos (h) \chi _{m-1,n-1,r+1}+3 \cos (h) \chi _{m-1,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+3 \cos (h) \chi _{m-1,n+1,r+1}+6 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1}+2 \cos \biggl( \frac{3 h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}+2 \cos \biggl( \frac{3 h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}-6 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}-2 \cos \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r-1}-6 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r+1}-2 \cos \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-3 \cos (h) \chi _{m+1,n-1,r-1}-3 \cos (h) \chi _{m+1,n-1,r+1}+3 \cos (h) \chi _{m+1,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+3 \cos (h) \chi _{m+1,n+1,r+1}+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r}-4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r} \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}-\chi _{m-1,n-1,r+1}+ \chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n-1,r-1}-\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} ), \\ &\frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial y^{2} } \\ &\quad= \frac{9 \csc (\frac{3 h}{2} ) \csc ^{2} (\frac{k}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{128 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (q)+1)128 (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} \\ &\qquad{}\times (-4 \bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1,r}+12 \cos \biggl(\frac{k-q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r} \\ &\qquad{}+12 \cos \biggl(\frac{k+q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r}+4 \cos \biggl( \frac{1}{2} (3 k-q) \biggr) \chi _{m-1,n,r}+4 \cos \biggl( \frac{1}{2} (3 k+q) \biggr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m-1,n,r}-6 \cos \biggl(k+\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r}-6 \cos \biggl(k-\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(k+\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}+6 \cos \biggl(k- \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}-12 \cos \biggl( \frac{k-q}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m+1,n,r}-12 \cos \biggl(\frac{k+q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r}-4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 k-q) \biggr) \chi _{m+1,n,r} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 k+q) \biggr) \chi _{m+1,n,r}+6 \cos \biggl(k+\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}+6 \cos \biggl(k- \frac{q}{2} \biggr) \\ &\qquad {}\times\chi _{m+1,n+1,r}-\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1}-3 \cos (k) \chi _{m-1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1}+2 \cos \biggl( \frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1}+6 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1} \\ &\qquad{}+2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1}-3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r-1}-3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r+1}-6 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1} \\ &\qquad{}-2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}-6 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1}-2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1} \\ &\qquad{}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r+1}-4 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}+4 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}-\chi _{m-1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n+1,r-1}-\chi _{m-1,n+1,r+1}+\chi _{m+1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} ), \end{aligned}$$
(15)
$$\begin{aligned} & \frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial x^{2}\,\partial z } \\ &\quad = \frac{9 \csc ^{2} (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \csc (\frac{3 q}{2} )}{128 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1)} (-6 \cos \biggl(h+\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1} \\ &\qquad{}-6 \cos \biggl(h-\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1}+6 \cos \biggl(h+ \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1}+6 \cos \biggl(h- \frac{k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times\chi _{m-1,n,r+1}+12 \cos \biggl(\frac{h-k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r-1}+12 \cos \biggl(\frac{h+k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r-1} \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 h-k) \biggr) \chi _{m,n,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 h+k) \biggr) \chi _{m,n,r-1}-12 \cos \biggl( \frac{h-k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times\chi _{m,n,r+1}-12 \cos \biggl(\frac{h+k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r+1}-4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 h-k) \biggr) \chi _{m,n,r+1} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (3 h+k) \biggr) \chi _{m,n,r+1}-6 \cos \biggl(h+\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}-6 \cos \biggl(h- \frac{k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times\chi _{m+1,n,r-1}+6 \cos \biggl(h+\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1}+6 \cos \biggl(h-\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1} \\ &\qquad{}-\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1}+\bigl(3 \cos (h)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r+1}-3 \cos (h) \\ &\qquad{}\times\chi _{m-1,n+1,r-1}+3 \cos (h) \chi _{m-1,n+1,r+1}+6 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1}+2 \cos \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m,n-1,r-1}-6 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}-2 \cos \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}+6 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \\ &\qquad {}\times\chi _{m,n+1,r-1}+2 \cos \biggl(\frac{3 h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r-1}-6 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r+1}-2 \cos \biggl( \frac{3 h}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times\chi _{m,n+1,r+1}-3 \cos (h) \chi _{m+1,n-1,r-1}+3 \cos (h) \chi _{m+1,n-1,r+1}-3 \cos (h) \\ &\qquad{}\times\chi _{m+1,n+1,r-1}+3 \cos (h) \chi _{m+1,n+1,r+1}-4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \\ &\qquad{}\times \chi _{m-1,n,r+1}-4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n+1,r-1}+\chi _{m-1,n+1,r+1}-\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} ), \\ &\frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial x\,\partial z^{2} } \\ &\quad = \frac{9 \csc (\frac{3 h}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \csc ^{2} (\frac{q}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{128 (2 \cos (k)+1) (2 \cos (q)+1)} (8 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r} \\ &\qquad{}-8 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos ^{3} \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r}+24 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r} \\ &\qquad{} -24 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r}-12 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m-1,n,r-1} \\ &\qquad{}-12 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m-1,n,r+1}+12 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m+1,n,r-1} \\ &\qquad{} +12 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m+1,n,r+1}-6 \sin (k) \csc \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \sin \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m-1,n,r} \\ &\qquad{}+6 \sin (k) \csc \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \sin \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m+1,n,r}-4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1} \\ &\qquad{} -4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1}+4 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \\ &\chi _{m+1,n,r+1}-3 \sin \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m-1,n+1,r}+3 \sin \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m+1,n-1,r} \\ &\qquad{}+3 \sin \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m+1,n+1,r}+8 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1,r}+2 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}-2 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}-2 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}+6 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}-6 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}-6 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}-\bigl(3 \cos (q)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-3 \cos (q) \chi _{m-1,n-1,r+1}-3 \cos (q) \chi _{m-1,n+1,r-1}-3 \cos (q) \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+3 \cos (q) \chi _{m+1,n-1,r-1}+3 \cos (q) \chi _{m+1,n-1,r+1}+3 \cos (q) \chi _{m+1,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+3 \cos (q) \chi _{m+1,n+1,r+1}-\chi _{m-1,n-1,r+1}-\chi _{m-1,n+1,r-1}- \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1} ), \\ & \frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial y^{2}\,\partial z } \\ &\quad= \frac{9 \sec (\frac{h}{2} ) \csc ^{2} (\frac{k}{2} ) \sec (\frac{k}{2} ) \csc (\frac{3 q}{2} )}{128 (2 \cos (h)+1) (2 \cos (k)+1)}-6 \cos \biggl(\frac{h}{2}+k \biggr) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-6 \cos \biggl(\frac{1}{2} (h-2 k) \biggr) \chi _{m,n-1,r-1}+6 \cos \biggl(\frac{h}{2}+k \biggr) \chi _{m,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(\frac{1}{2} (h-2 k) \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}+12 \cos \biggl(\frac{h-k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r-1} \\ &\qquad{}+12 \cos \biggl(\frac{h+k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r-1}+4 \cos \biggl( \frac{1}{2} (h+3 k) \biggr) \chi _{m,n,r-1} \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (h-3 k) \biggr) \chi _{m,n,r-1}-12 \cos \biggl(\frac{h-k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r+1} \\ &\qquad{}-12 \cos \biggl(\frac{h+k}{2} \biggr) \chi _{m,n,r+1}-4 \cos \biggl( \frac{1}{2} (h+3 k) \biggr) \chi _{m,n,r+1} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{1}{2} (h-3 k) \biggr) \chi _{m,n,r+1}-6 \cos \biggl(\frac{h}{2}+k \biggr) \chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}-6 \cos \biggl(\frac{1}{2} (h-2 k) \biggr) \chi _{m,n+1,r-1}+6 \cos \biggl(\frac{h}{2}+k \biggr) \chi _{m,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(\frac{1}{2} (h-2 k) \biggr) \chi _{m,n+1,r+1}-4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}-4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1}+\bigl(3 \cos (k)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r+1} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1}+2 \cos \biggl( \frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r-1}-6 \cos \biggl(\frac{k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1} \\ &\qquad{}-2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m-1,n,r+1}-3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n-1,r+1}+6 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1} \\ &\qquad{}+2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r-1}-6 \cos \biggl( \frac{k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1}-2 \cos \biggl(\frac{3 k}{2} \biggr) \chi _{m+1,n,r+1} \\ &\qquad{}-3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r-1}+3 \cos (k) \chi _{m+1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m-1,n+1,r-1}+ \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n-1,r-1}+\chi _{m+1,n-1,r+1}-\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1}, \\ &\frac{\partial ^{3} U_{m,n,r} }{\partial y\,\partial z^{2} } \\ &\quad = \frac{9 \sec (\frac{h}{2} ) \csc (\frac{3 k}{2} ) \csc ^{2} (\frac{q}{2} ) \sec (\frac{q}{2} )}{(128 (1 + 2 \operatorname{Cos}[h]) (1 + 2 \operatorname{Cos}[q]))}8 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r} \\ &\qquad{}-8 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos ^{3} \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r}+24 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r} \\ &\qquad{}-24 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r}-12 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-12 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m,n-1,r+1}+12 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+12 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \cos (q) \chi _{m,n+1,r+1}-6 \sin (h) \csc \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \sin \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m,n-1,r} \\ &\qquad{}+6 \sin (h) \csc \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \sin \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m,n+1,r}-4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n-1,r+1}+4 \cos \biggl( \frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r-1}+4 \cos \biggl(\frac{h}{2} \biggr) \chi _{m,n+1,r+1} \\ &\qquad{}+3 \sin \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m-1,n+1,r}-3 \sin \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m+1,n-1,r} \\ &\qquad{}+3 \sin \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \sin (q) \chi _{m+1,n+1,r}+8 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n-1,r}-2 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+2 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}-2 \cos ^{3} \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}-6 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m-1,n+1,r} \\ &\qquad{}+6 \cos \biggl(\frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n-1,r}-6 \cos \biggl( \frac{q}{2} \biggr) \chi _{m+1,n+1,r}-\bigl(3 \cos (q)+1\bigr) \chi _{m-1,n-1,r-1} \\ &\qquad{}-3 \cos (q) \chi _{m-1,n-1,r+1}+3 \cos (q) \chi _{m-1,n+1,r-1}+3 \cos (q) \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-3 \cos (q) \chi _{m+1,n-1,r-1}-3 \cos (q) \chi _{m+1,n-1,r+1}+3 \cos (q) \chi _{m+1,n+1,r-1} \\ &\qquad{}+3 \cos (q) \chi _{m+1,n+1,r+1}-\chi _{m-1,n-1,r+1}+\chi _{m-1,n+1,r-1}+ \chi _{m-1,n+1,r+1} \\ &\qquad{}-\chi _{m+1,n-1,r-1}-\chi _{m+1,n-1,r+1}+\chi _{m+1,n+1,r-1}+\chi _{m+1,n+1,r+1}, \\ & \quad\vdots \end{aligned}$$
(16)
The above analysis yields the following theorem.
Theorem 3
The solution of a three-dimensional DE using the collocation method with basis trigonometric cubic B-spline can be determined by equations (9)–(16).