×

非线性动力系统的有效计算离散化方案。 (英语) Zbl 1510.65318号

摘要:数值方法对于研究和应用非线性连续时间动力系统在科学和工程的许多领域都是至关重要的,需要离散化方案才能获得此类动力系统的解。尽管近几十年来计算能力快速增长,但嵌入式和大规模问题已成为提高计算效率的重要研究课题。然而,由于浮点数表示中的舍入效应,很少有研究关注离散化方案的有限精度限制。本文介绍了一种计算有效的非线性动力系统离散化方案。通过一个定理,证明了Runge-Kutta方法中的高阶项可以忽略而不损失精度。使用三个著名系统,即Rössler系统、Lorenz方程和Sprott B系统来说明所提出的方法。数学运算次数和模拟时间分别减少了81.1%和90.7%。此外,由于计算机的精度,随着步长的减小,被忽略项的数量增加。然而,动力系统的精确性、可观测性和最大的李亚普诺夫都得到了保留。该方案有效、可靠,适用于嵌入式和大规模应用。

MSC公司:

65页99 动力系统中的数值问题
37D45号 奇异吸引子,双曲行为系统的混沌动力学
37号30 数值分析中的动力系统

软件:

倍频程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 洛杉矶阿吉雷。;巴斯托斯,S.B。;Alves,医学硕士。;Letellier,C.,《非线性动力学的可观测性:归一化结果和时间序列方法》,《混沌》,18,1,013123(2008)
[2] 贝泽拉,J.I.M。;de Almeida Camargo,V.V.公司。;Molter,A.,一种基于混沌映射的新的高效排列扩散加密算法,混沌孤立子分形,151111235(2021)
[3] Bhat,J。;Saqib,M。;Moon,A.H.,用于图像加密和认证的模糊提取器和混沌增强椭圆曲线加密,国际期刊系统。阿苏。工程管理。,1-16 (2021)
[4] Bosmans,S。;Mercelis,S.公司。;Hellinckx,P。;Denil,J.,使用机会模型近似降低大规模仿真的计算成本,2019年春季仿真会议(SpringSim),1-12(2019),IEEE
[5] Butcher,J.C。;Goodwin,N.,《常微分方程的数值方法》,第2卷(2008),威利在线图书馆·Zbl 1167.65041号
[6] Dridi,F。;埃尔阿萨德,S。;El Hadj Youssef,W。;马彻特,M。;Lozi,R.,基于安全混沌发生器的流密码的设计和基于FPGA的实现,Appl。科学。,11, 2, 625 (2021)
[7] Faranda,D。;梅斯特雷,M.F。;Turchetti,G.,《以可逆性检验作为动态指标的舍入误差分析》,《国际分岔混沌》,22,09,1250215(2012)·兹比尔1258.37053
[8] Galias,Z.,非线性电路和系统模拟和分析中舍入误差的危险?以及如何避免它们,IEEE电路系统。Mag.,13,3,35-52(2013)
[9] Gouesbet,G。;Maquet,J.,从数值标量时间序列构建现象学模型,Physica D,58,1-4202-215(1992)·Zbl 1194.37132号
[10] Hammel,S.M。;约克·J·A。;Grebogi,C.,混沌动力学过程的数值轨道代表真轨道吗?,J.Complex,3,2,136-145(1987)·Zbl 0639.65037号
[11] 哈尼夫,M。;阿巴斯,S。;Khan,M.A。;伊克巴尔,N。;拉赫曼,Z.U。;Saeed,医学硕士。;Mohamed,E.M.,基于混沌系统和循环移位操作的新型高效多RGB图像密码,IEEE Access,8146408-146427(2020)
[12] 哈桑,A。;科里根,E.C。;Constantinides,G.A.,迭代数值算法的控制理论正向误差分析,IEEE Trans。自动化。控制,58,6,1524-1529(2013)·Zbl 1369.93138号
[13] 电气与电子工程师协会IEEE,IEEE浮点运算标准,IEEE Std 754-2019(IEEE 754-2008修订版),1-84(2019)
[14] 卡里莫夫,T。;Butusov,D。;Karimov,A.,《模拟和数值混沌系统模拟的比较》,2015年第十八届国际软计算与测量会议(SCM),81-83(2015),IEEE
[15] 赖,Q。;Chen,S.,从Sprott B系统生成多个混沌吸引子,国际分叉混沌,26,11,1650177(2016)·Zbl 1349.34161号
[16] 赖,Q。;Xu,G。;Pei,H.,Sprott B系统中多吸引子的分析与控制,混沌孤子分形,123,192-200(2019)·Zbl 1451.37053号
[17] 兰伯斯,J.V。;萨姆纳,A.C.,《数值分析中的探索》(2016),南密西西比大学:南密西西比河大学哈蒂斯堡分校
[18] Letellier,C。;Aguirre,L.A.,《从时间序列研究非线性动力学:对称性的影响和观测值的选择》,《混沌》,12,3,549-558(2002)·Zbl 1080.37600号
[19] Letellier,C。;洛杉矶阿奎尔,《同步性、可观测性和动力学之间的相互作用》,《物理学》。E版,82、1、016204(2010)
[20] Letellier,C.等人。;阿吉雷,洛杉矶。;Maquet,J.,非线性动力学的可观测性和微分嵌入之间的关系,物理学。E版,71、6、066213(2005)
[21] Letellier,C。;Maquet,J。;Le Sceller,L。;Gouesbet,G。;Aguirre,L.,《关于从记录的时间序列进行相空间重建时观察值的非等效性》,J.Phys。A、 31、39、7913(1998)·Zbl 0936.81014号
[22] Letellier,C。;Mendes,E.M.,Lorenz系统的鲁棒离散化与时间步长增加,混沌,15,1,013110(2005)
[23] Liao,S.J。;Wang,P.F.,关于区间内Lorenz方程混沌解的数学可靠长期模拟[010000],科学。中国物理。机械。阿童木。,57, 2, 330-335 (2014)
[24] 刘,B。;Wang,L。;Jin,Y.-H。;唐,F。;Huang,D.-X.,结合混沌的改进粒子群优化,混沌孤子分形,25,5,1261-1271(2005)·Zbl 1074.90564号
[25] Lorenz,E.N.,《确定性非周期流》,J.Atmos。科学。,20, 2, 130-141 (1963) ·Zbl 1417.37129号
[26] Lozi,R.,我们能相信动力学系统混沌解的数值计算吗?,混沌的拓扑和动力学:《庆祝罗伯特·吉尔摩70岁生日》,2013年,第63-98页,《世界科学》·Zbl 1270.37007号
[27] Mickens,R.E.,微分方程的非标准有限差分格式,J.Differ。等式应用。,8, 9, 823-847 (2002) ·Zbl 1010.65032号
[28] 摩纳哥,S。;Normand-Cyrot,D.,非线性抽样问题的组合方法,系统分析与优化,788-797(1990),施普林格-柏林-海德堡:施普林格·Zbl 0709.93048号
[29] 摩尔,R.E。;Kearfott,R.B。;Cloud,M.J.,《区间分析导论》,第110卷(2009年),暹罗·Zbl 1168.65002号
[30] Nepomuceno,E。;马丁斯。;阿马拉,G。;Riveret,R.,关于使用关联属性的离散映射的下限误差,Syst。科学。控制工程,5,1,462-473(2017)
[31] Nepomuceno,E.G.,《计算机上递归函数的收敛性》,J.Eng.,327,5,2-4(2014)
[32] 猪笼草。;盖德斯,P.F。;Barbosa,A.M。;Perc,M。;Repnik,R.,混沌系统的软计算模拟,国际分叉混沌,29,08,1950112(2019)·Zbl 1422.37022号
[33] Nepomuceno,E.G。;马丁斯,S.A。;西尔瓦,B.C。;阿马拉,G.F。;Perc,M.,用区间扩展检测递归函数的不可靠计算机模拟,应用。数学。计算。,329, 408-419 (2018) ·Zbl 1427.65411号
[34] Nepomuceno,E.G。;Mendes,E.M.,《关于在数字计算机中使用离散化方案模拟的连续混沌非线性系统的伪阶分析》,《混沌孤子分形》,95,21-32(2017)·Zbl 1373.34074号
[35] Nepomuceno,E.G。;Nardo,L.G。;Arias-Garcia,J。;Butusov,D.N。;Tutueva,A.,基于一维混沌映射伪有序的图像加密,混沌,29,6,061101(2019)
[36] Overton,M.L.,《IEEE浮点算法数值计算》(2001年),工业和应用数学学会:费城工业和应用算术学会·Zbl 0981.68057号
[37] Perc,M.,《想象奇怪吸引子的吸引力》,《欧洲物理学杂志》。,26, 4, 579 (2005) ·Zbl 1522.37084号
[38] Quarteroni,A。;Sacco,R。;Saleri,F.,《数值数学》,第37卷(2010年),Springer Science&Business Media·Zbl 0913.65002号
[39] Quarteroni,A。;Saleri,F.,《科学计算与Matlab和Octave》,《计算》。科学。工程(2006)·Zbl 1108.65002号
[40] Rössler,O.E.,《连续混沌方程》,《物理学》。莱特。A、 57、5、397-398(1976)·Zbl 1371.37062号
[41] Sauer,T。;格雷博吉,C。;Yorke,J.A.,数值混沌解保持有效多久?,物理学。修订稿。,79, 1, 59 (1997)
[42] P.H.O.席尔瓦。;Nardo,L.G。;马丁斯,S.A.M。;猪笼草。;Perc,M.,图形界面作为非线性动力系统的教学辅助工具,Eur.J.Phys。,39, 6, 065105 (2018)
[43] Sprott,J.C.,《一些简单的混沌流》,Phys。版本E,50,2,R647(1994)
[44] 苏莉,E。;Mayers,D.F.,《数值分析导论》(2003),剑桥大学出版社·Zbl 1033.65001号
[45] Tang,W.,关于连续阶段Runge-Kutta方法的注释,应用。数学。计算。,339, 231-241 (2018) ·Zbl 1429.65154号
[46] 图图瓦,A.V。;卡里莫夫,T.I。;莫西,L。;Nepomuceno,E.G。;沃洛斯,C。;Butusov,D.N.,在有限精度算法中改进基于混沌的伪随机发生器,非线性动力学。,104, 1, 727-737 (2021)
[47] Wolf,A。;斯威夫特,J.B。;Swinney,H.L。;Vastano,J.A.,从时间序列中确定Lyapunov指数,《物理学D》,16,3,285-317(1985)·Zbl 0585.58037号
[48] L.-S.Yao,《计算混沌或数值误差》,arXiv预印本nlin/0506045(2005)·Zbl 1211.65093号
[49] Yu,F。;李,L。;他,B。;刘,L。;钱,S。;张,Z。;沈,H。;蔡,S。;Li,Y.,基于5D超混沌四翼记忆系统的伪随机数发生器及其FPGA实现,Eur.Phys。J.规格顶部。,123 (2021)
[50] 庄,X。;王,Q。;Wen,J.,非线性时滞微分方程非标准差分方法的数值动力学,国际分岔混沌,28,11,1850133(2018)·Zbl 1403.34052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。