×

非线性薛定谔方程的高阶线性隐式结构保指数积分器。 (英语) 兹比尔1481.65134

摘要:针对非线性薛定谔方程,提出了一类新的高阶线性隐式保能积分因子Runge-Kutta方法。基于标量辅助变量法的思想,首先将原始方程重新转化为满足二次能量的等价形式,然后用标准傅里叶伪谱方法逼近系统的空间导数。随后,我们将外推技术/预测修正策略应用于半离散系统的非线性项,得到了一个线性化的节能系统。将积分因子Runge-Kutta方法进一步应用于所得系统,得到了一个全离散格式。我们证明,对于Runge-Kutta方法的系数,在特定情况下,所提出的格式可以产生数值解,沿着该解修改的能量是精确守恒的,正如解析解的情况一样,在每个时间步长只需要求解常系数线性方程组的意义上,它是非常有效的。数值结果表明,与其他现有结构保护方案相比,该方案具有显著的优越性。

MSC公司:

6500万06 含偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
65M70型 偏微分方程初值和初边值问题的谱、配置及相关方法
65升06 常微分方程的多步、Runge-Kutta和外推方法
55年第35季度 NLS方程(非线性薛定谔方程)
2011年第35季度 依赖时间的薛定谔方程和狄拉克方程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Akrivis,G。;李,B。;Li,D.,Allen-Cahn和Cahn-Hilliard方程的能量衰减外推RK-SAV方法,SIAM J.Sci。计算。,41,A3703-A3727(2019)·Zbl 1435.65141号
[2] 佐治亚州阿克里维斯;弗吉尼亚州Dougalis;Karakashian,OA,关于非线性薛定谔方程二阶时间精度的全离散Galerkin方法,Numer。数学。,59, 31-53 (1991) ·Zbl 0739.65096号
[3] 安托万,X。;Bao,W。;Besse,C.,非线性Schrödinger/Gross-Pitaevskii方程动力学的计算方法,计算。物理。社区。,184, 2621-2633 (2013) ·Zbl 1344.35130号
[4] 安托万,X。;Duboscq,R.,Gpelab,一个求解Gross-Pitaevskii方程的matlab工具箱II:随机模拟动力学,计算。物理。社区。,19395-117(2015)·Zbl 1344.82004号
[5] 安托万,X。;沈杰。;Tang,Q.,非线性Schrödinger/Gross-Pitaevskii方程动力学的标量辅助变量/基于拉格朗日乘子的伪谱方案,J.Compute。物理。,437, 110328 (2021) ·Zbl 07505911号
[6] Bao,W。;Cai,Y.,带波算子的非线性薛定谔方程有限差分方法的一致误差估计,SIAM J.Numer。分析。,50492-521(2012年)·Zbl 1246.35188号
[7] Bao,W。;蔡,Y.,玻色-爱因斯坦凝聚的数学理论和数值方法,Kinet。相关。国防部。,6, 1-135 (2013) ·Zbl 1266.82009年
[8] Barletti,L。;布鲁格纳诺,L。;Caccia,GF;Iawernaro,F.,非线性薛定谔方程的能量守恒方法,应用。数学。计算。,318, 3-18 (2018) ·Zbl 1426.65202号
[9] Besse,C。;Descombes,S。;杜贾丁,G。;Lacroix-Violet,I.,非线性薛定谔方程的能量保持方法,IMA J.Numer。分析。,41, 618-653 (2020) ·Zbl 1460.65099号
[10] Bo,Y.、Wang,Y.和Cai,W.:哈密顿偏微分方程的任意高阶线性隐式能量保持算法。arXiv:2011.08375(2020)
[11] 布鲁格纳诺,L。;Iaverano,F.,《保守问题的线积分方法》(2016),博卡拉顿:查普曼和霍尔/CRC,博卡拉通·Zbl 1335.65097号
[12] 布鲁格纳诺,L。;伊韦纳罗,F。;Trigante,D.,哈密顿边值方法(能量保持离散线积分方法),J.Numer。分析。Ind.申请。数学。,5, 17-37 (2010) ·Zbl 1432.65182号
[13] 卡尔沃,M。;Hernández-Abreu,D。;蒙蒂亚诺,JI;Rández,L.,《关于用显式Runge-Kutta方法保存不变量》,SIAM J.Sci。计算。,28, 868-885 (2006) ·Zbl 1118.65085号
[14] 卡尔沃,M。;Iserles,A。;Zanna,A.,等谱流的数值解,数学。计算。,66, 1461-1486 (1997) ·Zbl 0907.65067号
[15] Celledoni,E。;科恩,D。;Owren,B.,《对称指数积分器及其在三次薛定谔方程中的应用》,Found。计算。数学。,8, 303-317 (2008) ·Zbl 1147.65102号
[16] Celledoni,E.、Grimm,V.、McLachlan,R.I.、McLaren,D.I.、O'Neale,D.、Owren,B.、Quispel,G.R.W.:各自的能量保存。使用“平均向量场”方法的数值偏微分方程中的耗散。J.计算。物理。231, 6770-6789 (2012) ·Zbl 1284.65184号
[17] Chang,Q。;贾,E。;Sun,W.,求解广义非线性薛定谔方程的差分格式,J.Compute。物理。,148397-415(1999年)·Zbl 0923.65059号
[18] 陈,J。;秦,M.,非线性薛定谔方程的多符号傅里叶伪谱方法,Electr。事务处理。数字。分析。,12, 193-204 (2001) ·Zbl 0980.65108号
[19] 科恩,D。;Hairer,E.,泊松系统的线性能量保持积分器,BIT,51,91-101(2011)·Zbl 1216.65175号
[20] 崔,J。;徐,Z。;Wang,Y。;Jiang,C.,非线性薛定谔方程的保质量和保能指数Runge-Kutta方法,Appl。数学。莱特。,112, 106770 (2021) ·Zbl 1454.65058号
[21] Dahlby,M。;Owren,B.,推导偏微分方程保积分数值方法的一般框架,SIAM J.Sci。计算。,33, 2318-2340 (2011) ·Zbl 1246.65240号
[22] Delfour,M。;Fortin,M。;Payre,G.,非线性薛定谔方程的有限差分解,J.Compute。物理。,44, 277-288 (1981) ·Zbl 0477.65086号
[23] X·冯。;李,B。;Ma,S.,非线性薛定谔方程的高阶质量守恒和能量守恒SAV-Gauss配置有限元方法,SIAM J.Numer。分析。,59, 1566-1591 (2021) ·Zbl 1477.65254号
[24] X·冯。;刘,H。;Ma,S.,非线性薛定谔方程的质量守恒和能量守恒数值格式,Commun。计算。物理。,26, 1365-1396 (2019) ·Zbl 1473.65102号
[25] Furihata,D.,继承能量守恒或耗散性质的\(\frac{\partial u}{\partital t}=(\frac{\partical}{\protial x})^{\alpha}\frac}\delta{G}}{\delta-u})的有限差分格式,J.计算。物理。,156, 181-205 (1999) ·兹比尔0945.65103
[26] 龚,Y。;蔡,J。;Wang,Y.,Hamilton偏微分方程一般多符号公式的一些新的结构表示算法,J.Compute。物理。,279, 80-102 (2014) ·Zbl 1352.65647号
[27] 龚,Y。;王,Q。;Wang,Y。;蔡,J.,非线性薛定谔方程的保守傅里叶伪谱方法,J.Compute。物理。,328, 354-370 (2017) ·Zbl 1406.35356号
[28] 龚,Y。;赵,J。;Wang,Q.,梯度流模型的任意高阶线性能量稳定格式,J.Compute。物理。,419, 109610 (2020) ·Zbl 07507221号
[29] Hairer,E.,流形上微分方程的对称投影方法,BIT,40726-734(2000)·Zbl 0968.65108号
[30] Hairer,E.,配置方法的节能变体,J.Numer。分析。Ind.申请。数学。,5, 73-84 (2010) ·Zbl 1432.65185号
[31] 海尔,E。;卢比奇,C。;Wanner,G.,《几何-数值积分:常微分方程的结构保持算法》(2006),柏林:施普林格出版社,柏林·Zbl 1094.65125号
[32] 新泽西州海姆,《矩阵函数:理论与计算》(2008),费城:SIAM,费城·Zbl 1167.15001号
[33] Hochbruck,M。;Ostermann,A.,指数积分器,Acta Numer,19209-286(2010)·Zbl 1242.65109号
[34] 江,C。;Wang,Y。;Cai,W.,非线性Klein-Gordon方程的线性隐式保能指数积分器,J.Compute。物理。,419109690(2020)·Zbl 07507246号
[35] 江,C。;Wang,Y。;Gong,Y.,《一般哈密顿偏微分方程的显式高阶能量保持方法》,J.Compute。申请。数学。,38, 113298 (2021) ·Zbl 1456.65090号
[36] Ju,L.,Li,X.,Qiao,Z.,Yang,J.:半线性抛物方程的保最大界原则积分因子Runge-Kutta方法。arXiv:2010.12165v1[math.NA](2020)
[37] Ju,L。;李,X。;乔,Z。;Zhang,H.,无斜率选择的外延生长模型的指数时间差分格式的能量稳定性和误差估计,数学。计算。,87, 1859-1885 (2018) ·Zbl 1448.65182号
[38] 小林,M。;Tsubota,M.,《超流体湍流的Kolmogorov谱:具有小尺度耗散的Gross-Pitaevskii方程的数值分析》,Phys。修订稿。,94, 065302 (2005)
[39] Kong,L.公司。;魏,P。;黄,Y。;张,P。;王,P.,三耦合非线性薛定谔方程的有效能量守恒格式,数学。方法应用。科学。,42, 3222-3235 (2019) ·Zbl 1416.65270号
[40] Lawson,JD,具有大Lipschitz常数的稳定系统的广义Runge-Kutta过程,SIAM J.Numer。分析。,4, 372-380 (1967) ·Zbl 0223.65030号
[41] 李,D。;Sun,W.,非线性波动方程的线性隐式和高阶能量守恒格式,J.Sci。计算。,83、A3703-A3727(2020年)·Zbl 1435.65141号
[42] 李,H。;Mu,Z。;Wang,Y.,二维非线性薛定谔方程的能量守恒Crank-Nicolson-Galerkin谱元方法,J.Compute。申请。数学。,344, 245-258 (2018) ·Zbl 1457.65145号
[43] 李,X。;龚,Y。;Zhang,L.,广义非线性Schrödinger方程的两类新的线性高阶结构保留格式,应用。数学。莱特。,104, 106273 (2020) ·Zbl 1437.65213号
[44] 李毅。;Wu,X.,求解多符号哈密顿偏微分方程的通用局部保能积分器,J.Compute。物理。,301, 141-166 (2015) ·兹比尔1349.65518
[45] 李毅。;Wu,X.,保守或耗散系统的保留第一积分或Lyapunov函数的指数积分器,SIAM J.Sci。计算。,38,A1876-A1895(2016)·兹比尔1342.65230
[46] Matsuo,T。;Furihata,D.,《复值非线性偏微分方程的耗散或保守有限差分格式》,J.Compute。物理。,171, 425-447 (2001) ·Zbl 0993.65098号
[47] 宫崎骏,Y。;Butcher,JC,《哈密顿系统能量保持方法的表征和并行积分器的构造》,SIAM J.Numer。分析。,54, 1993-2013 (2016) ·Zbl 1342.65232号
[48] 基斯佩尔,GRW;McLaren,DI,一类新的保能数值积分方法,J.Phys。数学。理论。,41, 045206 (2008) ·Zbl 1132.65065号
[49] Sanz-Serna,JM,哈密顿系统的Runge-Kutta格式,BIT,28877-883(1988)·Zbl 0655.70013号
[50] 桑兹·塞尔纳(JM Sanz-Serna);Verwer,JG,非线性薛定谔方程解的保守和非保守格式,IMA J.Numer。分析。,6, 25-42 (1986) ·兹比尔0593.65087
[51] 沈杰。;唐涛,《光谱和高阶方法及其应用》(2006),北京:科学出版社,北京·Zbl 1234.65005号
[52] 沈杰。;Xu,J.,强各向异性自由能梯度流的稳定预测-校正格式,Commun。计算。物理。,24, 635-654 (2018) ·Zbl 1475.82027号
[53] 沈杰。;徐,J。;Yang,J.,梯度的标量辅助变量(SAV)方法,J.Compute。物理。,353, 407-416 (2018) ·Zbl 1380.65181号
[54] 沈杰。;徐,J。;Yang,J.,梯度流的一类新型高效稳健能量稳定方案,SIAM Rev.,61,474-506(2019)·Zbl 1422.65080号
[55] 沈,X。;Leok,M.,几何指数积分器,J.Compute。物理。,382, 27-42 (2019) ·Zbl 1451.37107号
[56] Sun,Z.:对微分方程的数值方法。科学出版社,北京(2005)
[57] 唐·W。;Sun,Y.,《时间有限元方法:ODE数值离散化的统一框架》,应用。数学。计算。,219, 2158-2179 (2012) ·Zbl 1291.65203号
[58] Wang,T。;郭,B。;Xu,Q.,二维非线性薛定谔方程的四阶紧致和能量守恒差分格式,J.Compute。物理。,243, 382-399 (2013) ·Zbl 1349.65347号
[59] 杨,X。;赵,J。;Wang,Q.,基于不变能量求积方法的分子束外延生长模型的数值近似,J.Compute。物理。,333, 104-127 (2017) ·Zbl 1375.82121号
[60] 张,F。;佩雷兹·加西亚,VM;Vázquez,L.,非线性薛定谔系统的数值模拟:一种新的保守方案,应用。数学。计算。,71, 165-177 (1995) ·Zbl 0832.65136号
[61] 张,H。;钱,X。;严,J。;Song,S.,非线性哈密顿微分方程的高效不变守恒显式Runge-Kutta格式,J.Comput。物理。,418, 109598 (2020) ·Zbl 07506164号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。