【摘 要】
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辛结构和能量守恒是Hamilton系统的两个最基本也是最重要的性质.相比辛结构,关于保持Hamilton系统能量的数值积分格式研究时间较晚.基于保结构的思想,在针对能量守恒(耗散)的系统设计数值积分格式时,希望得到的数值格式在求解该系统时,也能够保持能量守恒(耗散)的性质.本文介绍了两类Hamilton系统的保能量算法及其构造和理论分析,主要的工作包括:1)对弱扰动耗散的振荡Hamilton系统构
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辛结构和能量守恒是Hamilton系统的两个最基本也是最重要的性质.相比辛结构,关于保持Hamilton系统能量的数值积分格式研究时间较晚.基于保结构的思想,在针对能量守恒(耗散)的系统设计数值积分格式时,希望得到的数值格式在求解该系统时,也能够保持能量守恒(耗散)的性质.本文介绍了两类Hamilton系统的保能量算法及其构造和理论分析,主要的工作包括:1)对弱扰动耗散的振荡Hamilton系统构造了一种保耗散数值积分格式.该格式基于ERKN方法,将受线性阻尼弱扰动的振荡Hamilton系统写为一个二阶振荡微分方程的形式,利用扩展的离散梯度格式和组合分裂方法构造了一个数值积分格式.该格式下数值解的能量具有与原系统相似的耗散速率,并且能够保持原系统的振荡结构.由于该格式的隐性,本文还分析了隐式迭代的收敛性,证明了得到的数值格式可以选择相对较大的步长,有利于长时间数值积分.因此,在数值求解阻尼振荡Hamilton系统时,该格式比传统的保能量算法更有优势.通过三个扰动Hamilton系统的数值实验,验证了新格式在计算效率和精度上优于传统离散梯度格式.2)对拟双Hamilton系统构造了一类保能量数值积分格式.利用投影算法及离散梯度格式,本文得到两个对称的、相较于传统离散梯度格式更高效的保能量数值积分格式,新的数值积分格式能同时保持拟双Hamilton系统的两个哈密顿量.解决了传统的离散梯度格式只能保持系统一个哈密顿量的问题.我们将新的数值积分格式应用到两个、三个以及四个自由度的Hénon-Heiles型系统,实验结果也证实了理论分析的结果.与传统的离散梯度格式相比,新的数值积分格式更加有效.
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