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基于Hermite插值的一类新的多步数值积分方法。 (英语) 兹比尔1293.65103

摘要:本文针对误差受控和非受控模式,提出了一类新的显式和隐式多步方法。主要概念是用埃尔米特插值代替牛顿插值,其中埃尔米特多项式被拟合到函数值及其导数。这种思想在数值求解问题(例如轨道传播问题)时非常有用,因为在这些问题中,可以很容易地计算出高阶导数。除了理论概念外,还确定了所提方法的稳定区域。新方法在显式、隐式和预测校正形式上比众所周知的多步数值积分器(即Adams-Bashforth和Adams-Bashforth-Moulton)更稳定。在该方法中,使用二阶导数可以获得较小的误差常数。通过几个例子对新的积分器进行了数值测试,并将其解与著名的多步方法的解进行了比较。此外,比较了各种积分方法在卫星轨道传播问题中的CPU时间和绝对积分误差。CHAMP任务,即一个用于地球科学和大气研究与应用的德国小型卫星任务,被视为一个案例研究,用于比较所提出方法与解决双体问题的现有方法的可实现精度。

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65升06 常微分方程的多步、Runge-Kutta和外推方法
70平方米 轨道力学
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Bashforth,F.,Adams,J.C.:通过比较液滴的理论形式和测量形式来测试毛细管作用理论的尝试,并解释在构建给出此类液滴理论形式的表格时使用的积分方法。剑桥大学出版社,剑桥(1883)
[2] Butcher,J.C.:常微分方程的数值分析。威利,纽约(1987)·Zbl 0616.65072号
[3] Butcher,J.C.:二十世纪常微分方程的数值方法。J.计算。申请。数学。125, 1-29 (2000) ·Zbl 0969.65063号 ·doi:10.1016/S0377-0427(00)00455-6
[4] Beutler,G.:天体力学方法。第一卷:物理、数学和数值原理。柏林施普林格出版社(2005)·Zbl 1095.70001号
[5] Chihara,T.S.:正交多项式简介。Gordon&Breach,纽约(1978)·Zbl 0389.33008号
[6] Chakravarti,P.C.,Kamel,M.S.:具有高阶和改进稳定性区域的刚性稳定二阶导数多步方法。BIT 23,75-83(1983)·Zbl 0507.65034号 ·doi:10.1007/BF01937327
[7] Conte,S.D.,de Boor,C.:基本数值分析。McGraw-Hill,纽约(1980)·Zbl 0496.65001号
[8] Curtis,L.E.:高阶显式Runge-Kutta公式,其用途和局限性。J.Inst.数学。申请。16, 35-55 (1975) ·兹伯利0317.65024 ·doi:10.1093/imamat/16.1.35
[9] Curtiss,C.F.,Hirschfelder,J.O.:刚性方程的积分。程序。美国国家科学院。科学。38235-243(1952年)·Zbl 0046.13602号 ·doi:10.1073/pnas.38.3.235
[10] Dahlquist,G.:常微分方程数值积分的收敛性和稳定性。数学。扫描。4,33-53(1956年)·Zbl 0071.11803号
[11] Dormand,J.R.,Prince,P.J.:动力天文学数值模拟的新Runge-Kutta算法。最神圣的。机械。18, 223-232 (1978) ·Zbl 0386.70006号 ·doi:10.1007/BF01230162
[12] Dormand,J.R.,Prince,P.J.:嵌入式龙格-库塔公式家族。J.公司。申请。数学。6(1), 19-26 (1980). doi:10.1016/0771-050X(80)90013-3·Zbl 0448.65045号 ·doi:10.1016/0771-050X(80)90013-3
[13] Dormand,J.R.、Mikkawy,M.E.A.、Prince,P.J.:高阶嵌入Runge-Kutta-Nystrom公式。IMA J.数字。分析。7, 423-430 (1987) ·Zbl 0627.65085号 ·doi:10.1093/imanum/7.4.423
[14] Enright,W.H.:刚性常微分方程的二阶导数多步方法。SIAM J.数字。分析。11, 321-331 (1974) ·Zbl 0249.65055号 ·doi:10.1137/0711029
[15] Enright,W.H.,Higham,D.J.:平行缺陷控制。位数字。数学。31, 647-663 (1991) ·Zbl 0743.65069号 ·doi:10.1007/BF01933179
[16] Fasano,G.,D’Errico,M.:轨道相对运动建模,以根据应用要求进行编队设计。最神圣的。机械。动态。阿童木。105, 113-139 (2009). doi:10.1007/s10569-009-9230-5·邮编:1223.70083 ·doi:10.1007/s10569-009-9230-5
[17] Forrington,C.V.D.:解常微分方程组的预测-校正方法的扩展。计算。J.4,80-84(1962)·Zbl 0097.11703号 ·doi:10.1093/comjnl/4.1.80
[18] Filippi,S.,Graf,J.:形式为\[y^{prime\prime}=f(x,y)\]y〃=f(y,y)的微分方程的8(7)、9(8)、10(9)和11(10)阶新Runge-Kutta-Nystrom公式。J.计算。申请。数学。14, 361-370 (1986) ·兹比尔0574.65075 ·doi:10.1016/0377-0427(86)90073-7
[19] Glaser,A.,Rokhlin,V.:一类新的高精度常微分方程求解器。科学杂志。计算。第38368-399页(2009年)。doi:10.1007/s10915-008-9245-1·Zbl 1203.65102号 ·doi:10.1007/s10915-008-9245-1
[20] Garrapa,R.:关于分数阶微分方程的一些显式Adams多步方法。J.计算。申请。数学。229, 392-399 (2009) ·Zbl 1171.65098号 ·doi:10.1016/j.cam.2008.04.004
[21] Gupta,G.K.:使用Nordsieck多项式表示实现二阶导数多步方法。数学。公司。32, 13-18 (1978) ·Zbl 0385.65034号 ·doi:10.1090/S0025-5718-1978-0478630-7
[22] Hairer,E.:10阶龙格-库塔方法。J.Inst.数学。申请。21, 47-59 (1978) ·doi:10.1093/imamat/21.1.47
[23] Hairer,E.,Norsett,S.P.,Wanner,G.:求解常微分方程I,第二版。柏林施普林格(1993)·Zbl 0789.65048号
[24] Hairer,E.,Wanner,G.:求解常微分方程II:刚性和微分代数问题。施普林格,柏林(1996)·Zbl 0859.65067号 ·doi:10.1007/978-3-642-05221-7
[25] Hermite,Ch.:《拉格朗日插值公式》(Extrait d’une lettre de M.Ch.Hermite a M.Borchart sur la formule d’interpolation de Lagrange)。J.de Crelle。84, 432-443 (1878)
[26] Heun,K.:Neue Methoden zur近似积分der Dierentialgleichungen einer unabh angigen Ver anderlichen。Z.数学。物理。45, 23-38 (1900) ·JFM 31.0333.02号
[27] Hojjati,G.,Rahimi Ardabili,M.Y.,Hosseini,S.M.:刚性系统的新二阶导数多步方法。申请。数学。模型。30, 466-476 (2006) ·Zbl 1101.65078号 ·doi:10.1016/j.apm.2005.06.007
[28] Ismail,G.,Ibrahim,I.:刚性系统的新型高效二阶导数多步方法。申请。数学。模型。23, 279-288 (1999) ·Zbl 0944.65093号 ·doi:10.1016/S0307-904X(98)10086-0
[29] Kirlinger,G.:应用于刚性初值问题的线性多步骤方法——一项调查。数学。计算。模型1。40, 1181-1192 (2004) ·Zbl 1074.65083号 ·doi:10.1016/j.mcm.2005.01.012
[30] Kowali,S.,Gupta,G.K.:二阶导数多步多项式公式。数学。计算。38(158), 447-458 (1982) ·Zbl 0487.65040号 ·doi:10.1090/S025-5718-1982-0645662-6
[31] Kutta,W.:Beitrag zur näherungsweisen积分totaler Differentialgleichungen。Z.数学。物理。46, 435-453 (1901) ·JFM 32.0316.02号文件
[32] Lambert,J.D.:常微分方程的计算方法。威利,纽约(1972)
[33] LeVeque,R.J.:常微分方程和偏微分方程的有限差分方法。SIAM,费城(2007)·Zbl 1127.65080号 ·doi:10.137/1.9780898177839
[34] Prince,P.J.、Dormand,J.R.:高阶嵌入龙格-库塔公式。J.公司。申请。数学。7, 67-75 (1981) ·Zbl 0449.65048号 ·doi:10.1016/0771-050X(81)90010-3
[35] Mitchell,A.R.,Craggs,J.W.:常微分方程解中差分关系的稳定性。数学。表格有助于计算。7, 127-129 (1953) ·Zbl 0050.34903号
[36] Milne,W.E.:常微分方程的数值积分。美国数学。每月一次。33, 455-460 (1926) ·JFM 52.0553.04号 ·doi:10.2307/2299609
[37] Montenbruck,O.,Gill,E.:卫星轨道——模型、方法和应用。施普林格,柏林(2000)·Zbl 0949.70001号 ·doi:10.1007/978-3-642-58351-3
[38] Moulton,F.R.:外部平衡的新方法。芝加哥大学,芝加哥(1926)·JFM 52.0806.04标准
[39] Nystrom,E.J.:优步数字集成von Differentialgleichungen。社会科学学报。芬尼察。50(13), 1-55 (1925) ·JFM 51.0427.01号
[40] Nguyen-Ba,T.,Vaillancourt,R.:Hermite-Birkhoff-Obrechkoff三级六步14阶常微分方程解算器。可以。申请。数学。问题13(2),151-181(2005)·Zbl 1128.65058号
[41] Nguyen-Ba,T.,Yagoub,H.,Zhang,Y.,Vaillancourt,R.:4到14阶变步长变阶三级Hermite-Birkhoff-Obrechkoff常微分方程解算器。可以。申请。数学。问题14(4),413-437(2006)·Zbl 1138.65058号
[42] Nguyen-Ba,T.,Sharp,P.W.,Yagoub,H.,Vaillancourt,R.:Hermite-Birkhoff-Obrechkoff 14阶四步常微分方程解算器,带量化步长。可以。申请。数学。问题15(2),181-201(2007)·Zbl 1137.65382号
[43] Nguyen-Ba,T.,Yagoub,H.,Zhang,Y.,Vaillancourt,R.:3到14阶变步长二阶Hermite-Birkhoff-Obrechkoff常微分方程解算器。里加理工大学科学程序37(50),79-102(2008a)·Zbl 1138.65058号
[44] Nguyen-Ba,T.,Sharp,P.W.,Vaillancourt,R.:Hermite-Birkhoff-Obrechkoff四阶段四步14阶常微分方程解算器,带量化步长。J.计算。应用程序。数学。222(2),608-621(2008b)·Zbl 1153.65071号 ·doi:10.1016/j.cam.2007.12.003
[45] Nguyen Ba,T.,Bozic,V.,Kengne,E.,Vaillancourt,R.:10阶一步9阶段Hermite Birkhoff Taylor ODE解算器。J.应用。数学。计算。31, 335-358 (2009). doi:10.1007/s12190-008-0216-3·兹比尔1177.65104 ·doi:10.1007/s12190-008-0216-3
[46] Nguyen-Ba,T.、Yagoub,H.、Hao,H.和Vaillancourt,R.:普莱斯预分析适用于一些DAE求解器。申请。数学。计算。217, 8403-8418 (2011). doi:10.1016/j.amc.2011.03.037·Zbl 1217.65160号 ·doi:10.1016/j.amc.2011.03.037
[47] Nguyen-Ba,T.,Desjardins,S.J.,Sharp,P.W.,Vaillancourt,R.:保持契约性的13阶显式Hermite-Obrechkoff常微分方程解算器。最神圣的。机械。动态。阿童木。117 (2013). doi:10.1007/s10569-013-9520-9·Zbl 1284.65087号
[48] Quarteroni,A.,Fausto,S.,Gervasio,P.:《科学计算与MATLAB和Octave》,第三版。柏林施普林格出版社(2010年)·Zbl 1205.65002号 ·doi:10.1007/978-3-642-12430-3
[49] Reigber,C.,Luhr,H.,Schwintzer,P.:CHAMP任务状态。高级空间研究30(2),129-134(2002)·doi:10.1016/S0273-1177(02)00276-4
[50] Runge,C.:Auflösung von Differentialgleichungen的数字。数学。安46,167-178(1895)·JFM 26.0341.01号
[51] Shampine,L.F.:ODE的误差估计和控制。科学杂志。计算。25(1/2) (2005). 内政部:10.1007/s10915-004-4629-3·Zbl 1203.65122号
[52] Shampine,L.F.,Reichelt,M.W.:MATLAB ODE套件。SIAM J.科学。计算。18, 1-22 (1997) ·Zbl 0868.65040号 ·doi:10.1137/S1064827594276424
[53] Shokri,A.、Shokri、A.:一阶初值问题数值解的新型隐式L稳定混合Obrechkoff方法。计算。物理。184, 529-531 (2013) ·Zbl 1314.65098号
[54] Slonevsky,R.V.,Stolyarchuk,R.R.:用可变积分步长评估分数-有理多步方法的局部误差。数学杂志。科学。178, 399-408 (2011) ·文件编号:10.1007/s10958-011-0557-6
[55] Seeber,G.:卫星大地测量学。Walter de Gruyter,柏林(2003)·doi:10.1515/9783110200089
[56] Yang,W.Y.,Cao,W.,Chung,T.,Morris,J.:使用Matlab的应用数值方法。新泽西州威利市(2005年)·Zbl 1075.65001号 ·doi:10.1002/0471705195
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