Оценка области абсолютной устойчивости численной схемы решения жестких задач Коши методом продолжения решения по параметру
- Авторы: Кузнецов Е.Б.1, Леонов С.С.1,2, Цапко Е.Д.1
-
Учреждения:
- МАИ (национальный исследовательский университет)
- РУДН
- Выпуск: Том 63, № 4 (2023)
- Страницы: 557-572
- Раздел: ОБЩИЕ ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ
- URL: https://rjonco.com/0044-4669/article/view/664863
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044466923040129
- EDN: https://elibrary.ru/IPJBXS
- ID: 664863
Цитировать
Аннотация
При моделировании физических и технологических процессов исследователи часто сталкиваются с решением жестких начальных задач. Нахождение их точного аналитического решения в большинстве случаев затруднительно. В то же время применение численных схем для их решения не всегда позволяет получить достаточно точное решение за приемлемое расчетное время. Более того, для некоторого класса задач численные схемы решения оказываются непригодными из-за недостаточной устойчивости. В статье рассматриваются численные методы на основе продолжения решения по аргументам различного вида, которые позволяют увеличить устойчивость явных численных схем. Наиболее часто используемый наилучший аргумент оказывается малоприменим для решения задач, скорость роста интегральных кривых которых является сверхстепенной или близка к экспоненциальной. Авторами ранее была предложена модификация наилучшего аргумента, которая позволила сгладить указанные недостатки. В настоящей работе получена оценка области абсолютной устойчивости явной схемы метода Эйлера при решении задач, преобразованных к модифицированному наилучшему аргументу специального вида, и уточнено доказательство аналогичной оценки для начальных задач, преобразованных к наилучшему аргументу. Проведена апробация полученных теоретических оценок и дан анализ применения модифицированного наилучшего аргумента продолжения решения на примере тестовой начальной задачи. Библ. 41. Фиг. 2. Табл. 1.
Об авторах
Е. Б. Кузнецов
МАИ (национальный исследовательский университет)
Email: kuznetsov@mai.ru
Россия, 125993, Москва, Волоколамское ш., 4
С. С. Леонов
МАИ (национальный исследовательский университет); РУДН
Email: powerandglory@yandex.ru
Россия, 125993, Москва, Волоколамское ш., 4; Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Е. Д. Цапко
МАИ (национальный исследовательский университет)
Автор, ответственный за переписку.
Email: zapkokaty@gmail.com
Россия, 125993, Москва, Волоколамское ш., 4
Список литературы
- Чанг К., Хауэс Ф. Нелинейные сингулярно возмущенные краевые задачи: теория и приложения. М.: Мир, 1988. 247 с.
- Прандтль Л. Теория несущего крыла. Ч. 1. Движение жидкости с очень малым трением. М.; Л.: ГНТИ, 1931. С. 5–11.
- Тихонов А.Н. Системы дифференциальных уравнений, содержащие малые параметры при производных // Матем. сб. 1952. Т. 31 (73). № 3. С. 575–586.
- Васильева А.Б. О дифференцировании решений систем дифференциальных уравнений, содержащих малый параметр // Матем. сб. 1951. Т. 28 (70). № 1. С. 131–146.
- Бутузов В.Ф., Васильева А.Б., Нефедов Н.Н. Асимптотическая теория контрастных структур (обзор) // Автомат. и телемех. 1997. № 7. С. 4–32.
- Бутузов В.Ф., Левашова Н.Т., Мельникова А.А. Контрастная структура типа ступеньки в сингулярно возмущенной системе эллиптических уравнений // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2013. Т. 53. № 9. С. 1427–1447.
- Бутузов В.Ф. О контрастных структурах с многозонным внутренним слоем // Моделирование и анализ информационных систем. 2017. Т. 24. № 3. С. 288–308.
- Curtiss C.F., Hirschfelder J.O. Integration of stiff equations // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1952. V. 38. P. 235–243.
- Bjurel G., Dahlquist G., Lindberg B., Linde S., Oden L. Survey of stiff ordinary differential equations // Royal Institute of Technology, Stockholm, Depart. Informat. Proces., Comput. Sci. Rep. NA 70.11. 1970.
- Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Мир, 1999.
- Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге–Кутты для жестких нелинейных дифференциальных уравнений. М.: Мир, 1988.
- Gear C.W. Numerical initial value problems in ordinary differential equations. Prentice-Hall, Upper Saddle River, 1971.
- Белов А.А., Калиткин Н.Н. Проблема нелинейности при численном решении сверхжестких задач Коши // Матем. моделирование. 2016. Т. 28. № 4. С. 16–32. (Перевод: Belov A.A., Kalitkin N.N. Nonlinearity problem in the numerical solution of super stiff Cauchy problems // Math. Model. Comput. Simulat. 2013. V. 8. Iss. 6. P. 638–650).
- Калиткин Н.Н., Пошивайло И.П. Вычисления с использованием обратных схем Рунге–Кутты // Матем. моделирование. 2013. Т. 25. № 10. С. 79–96 (Перевод: Kalitkin N.N., Poshivaylo I.P. Computations with inverse Runge–Kutta schemes // Math. Model. Comput. Simulat. 2013. V. 6. Iss. 3. P. 272–285).
- Куликов Г.Ю. Вложенные симметричные неявные гнездовые методы Рунге–Кутты типов Гаусса и Лобатто для решения жестких обыкновенных дифференциальных уравнений и гамильтоновых систем // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2015. Т. 55. № 6. С. 986–1007 (Перевод: Kulikov G.Yu. Embedded symmetric nested implicit Runge–Kutta methods of Gauss and Lobatto types for solving stiff ordinary differential equations and Hamiltonian systems // Comput. Math. Math. Phys. 2015. V. 55. Iss. 6. P. 983–1003).
- Kulikov G.Yu., Weiner R. A singly diagonally implicit two-step peer triple with global error control for stiff ordinary differential equations // SIAM J. Sci. Comput. 2015. V. 37. No. 3. P. A1593–A1613.
- Kulikov G.Yu., Shindin S.K. Adaptive nested implicit Runge–Kutta formulas of Gauss type // Appl. Numeric. Math. 2009. V. 59. № 3–4. P. 707–722.
- Куликов Г.Ю. Об устойчивости симметричных формул Рунге–Кутты // Докл. АН. 2003. Т. 389. № 2. С. 164–168 (Перевод: Kulikov G.Yu. On the stability of symmetric Runge–Kutta formulas // Doklady. Mathematics. 2003. V. 67. Iss. 2. P. 184–188).
- Kulikov G.Yu. Symmetric Runge–Kutta methods and their stability // Russian J. Numer. Anal. Math. Model. 2003. V. 18. Iss. 1. P. 13–41.
- Куликов Г.Ю. Неявные гнездовые методы Рунге–Кутты типа Гаусса и Лобатто с локальным и глобальным контролем точности для жестких обыкновенных дифференциальных уравнений // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2020. Т. 60. № 7. С. 1170–1192 (Перевод: Kulikov G.Yu. Nested implicit Runge–Kutta pairs of Gauss and Lobatto types with local and global error controls for stiff ordinary differential equations // Comput. Math. Math. Phys. 2020. V. 60. Iss. 7. P. 1134–1154).
- Скворцов Л.М. О неявных методах Рунге–Кутты, полученных в результате обращения явных методов // Матем. моделирование. 2017. Т. 29. № 1. С. 3–19 (Перевод: Skvortsov L.M. On implicit Runge–Kutta methods received as a result of inversion of explicit methods // Math. Model. Comput. Simulat. 2017 V. 9. Iss. 4. P. 498–510).
- Скворцов Л.М., Козлов О.С. Эффективная реализация диагонально-неявных методов Рунге–Кутты // Матем. моделирование. 2014. Т. 26. № 1. С. 96–108 (Перевод: Skvortsov L.M., Kozlov O.S. Efficient implementation of diagonally implicit Runge–Kutta methods // Math. Model. Comput. Simulat. 2014 V. 6. Iss. 4. P. 415–424).
- Скворцов Л.М. Однократно неявные диагонально расширенные методы Рунге–Кутты четвертого порядка // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2014. Т. 54. № 5. С. 755–765 (Перевод: Skvortsov L.M. Singly implicit diagonally extended Runge–Kutta methods of fourth order // Comput. Math. Math. Phys. 2014. V. 54. Iss. 5. P. 775–784).
- Скворцов Л.М. Эффективная реализация неявных методов Рунге–Кутты второго порядка // Матем. моделирование. 2013. Т. 25. № 5. С. 15–28 (Перевод: Skvortsov L.M. Efficient implementation of second order implicit Runge–Kutta methods // Math. Model. Comput. Simulat. 2013. V. 5. Iss. 6. P. 565–574).
- Новиков Е.А. Явные методы для жестких систем. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1997.
- Новиков Е.А., Шорников Ю.В. Моделирование жестких гибридных систем. СПб: Изд-во “Лань”, 2019.
- Novikov E.A., Rybkov M.V. Application of explicit methods with extended stability regions for solving stiff problems // J. Siberian Federal University. Math. Phys. 2016. V. 9. No. 2. P. 209–219.
- Новиков Е.А. Алгоритм интегрирования жестких задач с помощью явных и неявных методов // Изв. Сарат. ун-та. Новая серия. Сер. “Математика. Механика. Информатика”. 2012. Т. 12. № 4. С. 19–27.
- Новиков А.Е., Новиков Е.А. Численное решение жестких задач с небольшой точностью // Матем. моделирование. 2010. Т. 22. № 1. С. 46–56 (Перевод: Novikov A.E., Novikov E.A. Numerical integration of stiff systems with low accuracy // Math. Model. Comput. Simulat. 2010. V. 2. Iss. 4. P. 443–452).
- Скворцов Л.М. Явные адаптивные методы Рунге–Кутты для жестких и колебательных задач // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2011. Т. 51. № 8. С. 1434–1448 (Перевод: Skvortsov L.M. Explicit adaptive Runge–Kutta methods for stiff and oscillation problems // Comput. Math. Math. Phys. 2011. V. 51. Iss. 8. P. 1339–1352).
- Скворцов Л.М. Явные адаптивные методы Рунге–Кутты // Матем. моделирование. 2011. Т. 23. № 7. С. 73–87 (Перевод: Skvortsov L.M. Explicit adaptive Runge–Kutta methods // Math. Model. Comput. Simulat. 2011. V. 4. Iss. 1. P. 82–91).
- Лебедев В.И. Как решать явными методами жесткие системы дифференциальных уравнений // Вычисл. процессы и системы. Вып. 8. М: Наука, 1991.
- Лебедев В.И. Явные разностные схемы для решения жестких задач с комплексным или разделимым спектром // Ж. вычисл. матем и матем. физ. 2000. Т. 40. № 12. С. 1801–1812.
- Шалашилин В.И., Кузнецов Е.Б. Метод продолжения решения по параметру и наилучшая параметризация в прикладной математике и механике. М.: Эдиториал УРСС, 1999. 224 с. (Shalashilin V.I., Kuznetsov E.B. Parametric continuation and optimal parametrization in applied mathematics and mechanics. Kluwer Acad. Publ. Dordrecht, Boston, London, 2003. 236 p.)
- Kulikov G.Yu. On quasi-consistent integration by Nordsieck methods // J. Comput. Appl. Math. 2009. V. 225. Iss. 1. P. 268–287.
- Kulikov G.Yu., Weiner R. Doubly quasi-consistent parallel explicit peer methods with built-in global error estimation // J. Comput. Appl. Math. 2010. V. 233. Iss. 9. P. 2351–2364.
- Kuznetsov E.B., Leonov S.S., Tsapko E.D. A new numerical approach for solving initial value problems with exponential growth integral curves // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. V. 927.
- Кузнецов Е.Б., Шалашилин В.И. Задача Коши как задача продолжения решения по параметру // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1993. Т. 33. № 12. С. 1792–1805.
- Dahlquist G. A special stability problem for linear multistep methods // BIT. 1963. № 3. P. 27–43.
- Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989.
- Белов А.А., Калиткин Н.Н. Особенности расчета контрастных структур в задачах Коши // Матем. моделирование. 2016. Т. 28. № 10. С. 97–109.
Дополнительные файлы
