Sayısal devamı - Numerical continuation - Wikipedia

Sayısal devamı parametreleştirilmiş doğrusal olmayan denklemler sisteminin yaklaşık çözümlerini hesaplama yöntemidir,

[1]

parametre genellikle gerçektir skaler, ve çözüm bir n-vektör. Sabit bir parametre değeri , haritalar Öklid n-uzayı kendi içine.

Genellikle orijinal eşleme bir Banach alanı kendi içine ve Öklid n-uzayı Banach uzayına sonlu boyutlu bir yaklaşımdır.

Bir kararlı hal veya sabit nokta, bir parametreli aile nın-nin akışlar veya haritalar bu biçimdedir ve ihtiyatlı bir akışın yörüngeleri veya bir haritayı yineleyen, periyodik yörüngeler ve heteroklinik yörüngeler bir çözüm olarak da sunulabilir .

Diğer formlar

Doğrusal olmayan bazı sistemlerde parametreler belirgindir. Diğerlerinde örtüktür ve doğrusal olmayan denklem sistemi yazılır

nerede bir n-vektör ve görüntüsü bir n-1 vektör.

Açık bir parametre alanı olmayan bu formülasyon, aşağıdaki bölümlerdeki formülasyonlar için genellikle uygun değildir, çünkü bunlar parametreleştirilmiş otonom doğrusal olmayan dinamik sistemler şeklinde:

Bununla birlikte, cebirsel bir sistemde bilinmeyenler arasında hiçbir ayrım yoktur ve parametreler.

Periyodik hareketler

Bir periyodik devinim faz uzayında kapalı bir eğridir. Yani bazıları için dönem ,

Periyodik hareketin ders kitabı örneği, sönümsüzdür. sarkaç.

Eğer faz boşluğu bir veya daha fazla koordinatta periyodiktir, diyelim ki , ile bir vektör[açıklama gerekli ] , sonra ikinci bir tür periyodik hareket vardır.

her tam sayı için .

PeriodicMotion.gifPeriodicOrbitTime.gif

Periyodik bir hareket için örtük bir sistem yazmanın ilk adımı, periyodu hareket ettirmektir. sınır koşullarından ODE:

İkinci adım, ek bir denklem eklemektir. faz kısıtlamasıbu, dönemi belirleyen bir şey olarak düşünülebilir. Bu gereklidir, çünkü yukarıdaki sınır değer probleminin herhangi bir çözümü zaman içinde keyfi bir miktarda kaydırılabilir (tanımlayıcı denklemlerde zaman görünmez - dinamik sisteme otonom denir).

Faz kısıtlaması için birkaç seçenek vardır. Eğer bir parametre değerinde bilinen bir periyodik yörüngedir yakın , sonra Poincaré kullandı

Hangi hallerde kapalı eğrinin teğet vektörüne ortogonal olan bir düzlemde yer alır. Bu uçağa Poincaré bölümü.

PoincareSection.gif

Genel bir problem için daha iyi bir faz kısıtlaması, bilinen ve bilinmeyen yörüngeler arasındaki mesafenin en aza indirilmesi için fazı seçen, Eusebius Doedel tarafından getirilen integral bir kısıtlamadır:

Homoklinik ve heteroklinik hareketler

HomoclinicOrbit.gifHomoclinicOrbitTime.gif

Tanımlar

Çözüm bileşeni

Biri kırmızı ve diğeri mavi olmak üzere iki çözüm bileşeni. Bu iki bileşenin ilgilenilen bölgenin dışında bağlanabileceğini unutmayın.

Bir çözüm bileşeni doğrusal olmayan sistemin bir dizi nokta hangi tatmin ve bağlı ilk çözüme bir çözüm yolu ile hangisi için ve .

Sayısal devamı

Sayısal bir devamlılık, girdi olarak parametreleştirilmiş doğrusal olmayan denklemler sistemini ve bir ilk çözümü alan bir algoritmadır. , ve çözüm bileşeninde bir dizi nokta oluşturur .

Normal nokta

Düzenli bir nokta bir nokta hangi Jacobian nın-nin tam rütbe .

Düzenli bir noktanın yakınında çözüm bileşeni, normal noktadan geçen izole bir eğridir ( örtük fonksiyon teoremi ). Noktanın yukarısındaki şekilde düzenli bir noktadır.

Tekil nokta

Tekil bir nokta bir nokta hangi Jacobian F tam dereceli değil.

Tekil bir noktanın yakınında çözüm bileşeni, normal noktadan geçen izole bir eğri olmayabilir. Yerel yapı, daha yüksek türevler tarafından belirlenir . Yukarıdaki şekilde iki mavi eğrinin kesiştiği nokta tekil bir noktadır.

Genel olarak çözüm bileşenleri vardır dallı eğriler. Dallanma noktaları tekil noktalardır. Tekil noktadan ayrılan çözüm eğrilerini bulmaya dal değiştirme denir ve aşağıdaki teknikleri kullanır: çatallanma teorisi (tekillik teorisi, felaket teorisi ).

Sonlu boyutlu sistemler için (yukarıda tanımlandığı gibi) Lyapunov-Schmidt ayrıştırması, Örtük Fonksiyon Teoreminin uygulandığı iki sistemi üretmek için kullanılabilir. Lyapunov-Schmidt ayrıştırması, sistemin, Jacobian'ın sıfır uzayının ve Jacobian'ın aralığının tamamlayıcısı ile sınırlandırılmasını kullanır.

Matrisin sütunları sıfır uzayı için ortonormal bir temeldir

ve matrisin sütunları sol boş uzayı için ortonormal bir temeldir sonra sistem olarak yeniden yazılabilir

nerede boş uzayının tamamlayıcısıdır .

Jacobian'ın sıfır uzayı ile parametrik hale getirilen ilk denklemde (), Jacobian ile ilgili olarak tekil değildir. Yani örtük fonksiyon teoremi, bir eşleme olduğunu belirtir. öyle ki ve . İkinci denklem (ile ikame edilmiş), çatallanma denklemi olarak adlandırılır (bir denklem sistemi olsa da).

Çatallanma denklemi, sabit ve doğrusal terimlerden yoksun bir Taylor açılımına sahiptir. Orijinal sistemin Jacobian'ın denklemlerini ve sıfır uzayını ölçeklendirerek, tekil olmayan Jacobian ile bir sistem bulunabilir. Ölçekli çatallanma denkleminin Taylor serisindeki sabit terim cebirsel çatallanma denklemi olarak adlandırılır ve çatallanma denklemlerini uygulanan örtük fonksiyon teoremi, cebirsel çatallanma denkleminin her izole çözümü için orijinal problemin bir çözüm dalı olduğunu belirtir. tekil noktadan geçer.

Başka bir tür tekil nokta, dönüm noktası çatallanma veya eyer düğümü çatallanma, parametrenin yönü nerede eğri takip edildikçe tersine döner. Yukarıdaki şekildeki kırmızı eğri bir dönüm noktasını göstermektedir.

Özel algoritmalar

Doğal parametre devamı

Doğrusal olmayan denklem sistemlerinin çoğu çözüm yöntemi yinelemeli yöntemlerdir. Belirli bir parametre değeri için ilk tahmine tekrar tekrar bir eşleme uygulanır . Metot yakınsarsa ve tutarlıysa, o zaman iterasyon bir çözüme yaklaşır: .

Doğal parametre devamı yinelemeli çözücünün parametreleştirilmiş bir probleme çok basit bir uyarlamasıdır. Çözüm kefaret değeri çözüm için ilk tahmin olarak kullanılır . İle başlangıç ​​tahminine uygulanan yineleme yeterince küçük olmalıdır.

NaturalParameter.gif

Doğal parametre devamının bir avantajı, problem için çözüm yöntemini kara kutu olarak kullanmasıdır. Gereken tek şey, bir ilk çözümün verilmesidir (bazı çözücüler her zaman sabit bir ilk tahminle başlamak için kullanılır). Kara kutu çözücülere daha sofistike algoritmalar uygulamak için büyük ölçekli devam alanında birçok çalışma yapılmıştır (bkz. LOCA ).

Ancak, çözüm dallarının döndüğü dönüm noktalarında doğal parametre devamlılığı başarısız olur. Bu nedenle, dönüm noktalarıyla ilgili problemler için, sözde yay uzunluğunun devamı gibi daha karmaşık bir yöntem kullanılmalıdır (aşağıya bakınız).

Basit veya parçalı doğrusal devamı

Basit Devamlılık veya Parçalı Doğrusal Devam (Allgower ve Georg) üç temel sonuca dayanmaktadır.

İlk olarak

F (x), IR ^ n'yi IR ^ (n-1) ile eşlerse, (n-1) boyutunda benzersiz bir doğrusal interpolant vardır. basit simpleksin köşelerindeki fonksiyon değerleri ile uyumludur.

İkinci sonuç:

Benzersiz doğrusal interpolantın simpleks içinde 0 değerini alıp almadığını belirlemek için (n-1) boyutlu bir simpleks test edilebilir.

Lütfen şu makaleye bakın parçalı doğrusal devam detaylar için.

Bu iki işlemle, bu devam algoritmasının belirtilmesi kolaydır (tabii ki verimli bir uygulama daha karmaşık bir yaklaşım gerektirir. Bkz. [B1]). IR ^ n'nin bir referans basit ayrışımından bir ilk simpleksin verildiği varsayılır. İlk simpleks, o yüzdeki benzersiz doğrusal interpolantın sıfırını içeren en az bir yüze sahip olmalıdır. Tek yüzün diğer yüzleri daha sonra test edilir ve tipik olarak içi sıfır olan bir ek yüz daha olacaktır. İlk simpleks daha sonra sıfır içeren her iki yüz boyunca uzanan simpleks ile değiştirilir ve işlem tekrarlanır.

Simplicial.gif

Kaynaklar: Allgower ve Georg [B1], algoritmanın net ve açık bir tanımını sağlar.

Sözde yay uzunluğu devamı

Bu yöntem, bir eğrinin "ideal" parametreleştirmesinin yay uzunluğu olduğu gözlemine dayanmaktadır. Sözde yay uzunluğu, eğrinin teğet uzayındaki yay uzunluğunun yaklaşık bir değeridir. Ortaya çıkan değiştirilmiş doğal devam yöntemi, sözde yay uzunluğunda bir adım atar ( ). Yinelemeli çözücünün, verilen sözde yay uzunluğunda bir nokta bulması gerekir, bu da n'ye n + 1 Jacobian ile ek bir kısıt (sözde yay uzunluğu kısıtlaması) eklemeyi gerektirir. Kare şeklinde bir Jacobian üretir ve adım boyutu yeterince küçükse, değiştirilmiş Jacobian tam derecelidir.

Sözde yay uzunluğu devamı, 1960'ların sonlarında Edward Riks ve Gerald Wempner tarafından sonlu eleman uygulamaları için bağımsız olarak geliştirildi ve 1970'lerin başında H.B. tarafından dergilerde yayınlandı. Keller. Bu erken gelişmelerin ayrıntılı bir açıklaması ders kitabında MA Crisfield: Katıların ve Yapıların Doğrusal Olmayan Sonlu Elemanlar Analizi, Cilt 1: Temel Kavramlar, Wiley, 1991 tarafından sağlanmıştır. Crisfield, bu yöntem sınıfının en aktif geliştiricilerinden biriydi. artık ticari doğrusal olmayan sonlu eleman programlarının standart prosedürleri.

PseudoArclength.gif

Algoritma, bir tahmin-düzeltici yöntemdir. Tahmin adımı, bir adım olan noktayı (IR ^ (n + 1)) bulur. Geçerli işaretçide teğet vektör boyunca. Düzeltici, doğrusal olmayan sistemi çözmek için genellikle Newton'un yöntemi veya bir varyantıdır.

nerede teğet vektör Bu sistemin Jakobeni, sınırlanmış matristir.

Değiştirilmemiş Jacobian'ın tam dereceli olduğu düzenli noktalarda, teğet vektörü bu yeni Jacobian'ın üst sırasının sıfır uzayını kapsar. Teğet vektörün son satır olarak eklenmesi, Newton sisteminin genel çözümünde boş vektörün katsayısının belirlenmesi olarak görülebilir (özel çözüm artı boş vektörün keyfi bir katı).

Gauss-Newton devamı

Bu yöntem, sözde yay uzunluğu devamının bir çeşididir. Yay uzunluğu kısıtlamasının ilk noktasındaki tanjantı kullanmak yerine, mevcut çözümdeki tanjant kullanılır. Bu, Jacobian'ın sözde tersini Newton'un yönteminde kullanmaya eşdeğerdir ve daha uzun adımların yapılmasına izin verir. [B17]

Birden fazla parametrede devam

Parametre yukarıda açıklanan algoritmalarda gerçek bir skalerdir. Çoğu fiziksel ve tasarım problemi genellikle birden fazla parametreye sahiptir. Daha yüksek boyutlu devamlılık, bir k-vektörüdür.

Aynı terminoloji geçerlidir. Bir düzenli çözüm Jacobian'ın tam rütbeli olduğu bir çözümdür . Tekil bir çözüm, Jacobian'ın tam dereceden daha düşük olduğu bir çözümdür.

Düzenli bir çözüm, teğet uzaydaki (Jacobian'ın sıfır uzayı) bir nokta ile parametrelendirilebilen k-boyutlu bir yüzeyde bulunur. Bu yine Örtük Fonksiyon Teoreminin basit bir uygulamasıdır.

Sayısal devam tekniklerinin uygulamaları

Sayısal devam teknikleri, kaotik dinamik sistemler ve alemine ait çeşitli diğer sistemlerin çalışmasında büyük ölçüde kabul görmüştür. felaket teorisi. Bu tür bir kullanımın nedeni, çeşitli doğrusal olmayan dinamik sistemlerin, sistemin denklemlerine dahil edilen bir dizi parametrede belirleyici ve öngörülebilir bir şekilde davranmasından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, belirli bir parametre değeri için sistem düzensiz davranmaya başlar ve bu nedenle, sistemin ne zaman öngörülemez olmaya başladığının ve sistemi tam olarak neyin (teorik olarak) yaptığını deşifre edebilmek için parametreyi takip etmek gerekli hale geldi. kararsız.

Parametre sürekliliğinin analizi, kararlı / kritik nokta çatallanmaları hakkında daha fazla kavrayış sağlayabilir. Saddle-node, transcritical, pitch-fork, period doubleling, Hopf, sekonder Hopf (Neimark) bifurkasyonlarının kararlı çözümlerinin incelenmesi, kritik noktalarda ortaya çıkan durumların ve oluşumların teorik bir tartışmasına izin verir. Parametre devamı, daha etkileşimli, zaman aşamalı sayısal çözümlerden daha kararlı olduğu için dinamik bir sistemi analiz etmek için daha güvenilir bir sistem sağlar. Özellikle dinamik sistemin belirli parametre değerlerinde (veya birden çok parametre için değerlerin kombinasyonunda) patlamaya meyilli olduğu durumlarda.[2]

Araştırmada kararlı çözümlerin (çeken veya iten) varlığı son derece anlayışlı. Doğrusal olmayan Kısmi Diferansiyel Denklemler burada Crank Nicolson algoritması şeklinde adım atan zamanlar, sistemdeki bağımlı değişkenlerin doğrusal olmayan büyümesi durumlarında son derece zaman alıcı ve kararsızdır. Türbülans çalışması, Nümerik Devam tekniklerinin gelişini incelemek için kullanıldığı başka bir alandır. türbülans düşük Reynolds sayılarından başlayan bir sistemde. Ayrıca, bu teknikleri kullanan araştırmalar, değişmez tori için kararlı manifoldlar ve çatallanmalar bulma olasılığını sağlamıştır. sınırlı üç vücut sorunu Newton yerçekiminde ve aynı zamanda sistemlerin davranışına ilginç ve derin içgörüler vermiştir. Lorenz denklemleri.

Yazılım

(Yapım Aşamasında) Ayrıca bkz.Dinamik Sistemler üzerine SIAM Etkinlik Grubu listesi http://www.dynamicalsystems.org/sw/sw/

Örnekler

Bu sorun, F menşe haritalarının göründüğü yer bilgisayar grafikleri çizim problemleri olarak kontur haritaları (n = 2) veya eş yüzey (n = 3). Değerli kontur h tüm çözüm bileşenlerinin kümesidir F-h = 0

Referanslar

  1. ^ Sayısal Devam Yöntemlerine Giriş Eugene L. Allgower ve Kurt Georg Colorado Eyalet Üniversitesi 1990
  2. ^ Engelnkemper, S .; Gurevich, S. V .; Uecker, H .; Wetzel, D .; Thiele, U. (7 Temmuz 2018). Akışkanlar dinamiğinde çatallanma ve kararsızlıkların hesaplamalı modellemesi. Springer. s. 459–501. arXiv:1808.02321. doi:10.1007/978-3-319-91494-7_13. ISBN  9783319914930.

Kitabın

[B1] "Sayısal Devam Yöntemlerine Giriş ", Eugene L. Allgower ve Kurt Georg, SIAM Classics in Applied Mathematics 45. 2003.

[B2] "Dinamik Dengenin İkiye Ayrılması için Sayısal Yöntemler ", Willy J. F. Govaerts, SIAM 2000.

[B3] "Doğrusal Olmayan Analiz ve Uygulamalarda Lyapunov-Schmidt Yöntemleri", Nikolay Sidorov, Boris Loginov, Aleksandr Sinitsyn ve Michail Falaleev, Kluwer Academic Publishers, 2002.

[B4] "Çatallanma Teorisi Yöntemleri", Shui-Nee Chow ve Jack K. Hale, Springer-Verlag 1982.

[B5] "Uygulamalı Bifurkasyon Teorisinin Unsurları", Yuri A. Kunetsov, Springer-Verlag Applied Mathematical Sciences 112, 1995.

[B6] "Doğrusal Olmayan Salınımlar, Dinamik Sistemler ve Vektör Alanlarının Çatallanması", John Guckenheimer ve Philip Holmes, Springer-Verlag Uygulamalı Matematik Bilimleri 42, 1983.

[B7] "Temel Kararlılık ve Çatallanma Teorisi", Gerard Iooss ve Daniel D. Joseph, Springer-Verlag Matematik Lisans Metinleri, 1980.

[B8] "Tekillik Teorisi ve Afet Teorisine Giriş", Yung-Chen Lu, Springer-Verlag, 1976.

[B9] "Küresel Bölünmeler ve Kaos, Analitik Yöntemler", S. Wiggins, Springer-Verlag Applied Mathematical Sciences 73, 1988.

[B10] "Bifurkasyon Teorisinde Tekillikler ve Gruplar, cilt I", Martin Golubitsky ve David G. Schaeffer, Springer-Verlag Applied Mathematical Sciences 51, 1985.

[B11] "Bifurkasyon Teorisinde Tekillikler ve Gruplar, cilt II", Martin Golubitsky, Ian Stewart ve David G. Schaeffer, Springer-Verlag Applied Mathematical Sciences 69, 1988.

[B12] "Polinom Sistemlerini Mühendislik ve Bilimsel Problemler için Devam Etmeyi Kullanarak Çözme", Alexander Morgan, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ 1987.

[B13] "Çözümlere, Sabit Noktalara ve Dengeye Giden Yollar", C. B. Garcia ve W.I. Zangwill, Prentice-Hall, 1981.

[B14] "Örtük Fonksiyon Teoremi: Tarih, Teori ve Uygulamalar", Steven G. Krantz ve Harold R. Parks, Birkhauser, 2002.

[B15] "Doğrusal Olmayan Fonksiyonel Analiz", J. T. Schwartz, Gordon ve Breach Science Publishers, Matematik ve Uygulamaları Üzerine Notlar, 1969.

[B16] "Doğrusal Olmayan Fonksiyonel Analizde Konular", Louis Nirenberg (Ralph A. Artino'nun notları), AMS Courant Lecture Notes in Mathematics 6, 1974.

[B17] "Doğrusal Olmayan Problemler için Newton Yöntemleri - Afin Değişmezlik ve Uyarlamalı Algoritmalar", P. Deuflhard, Seri Hesaplamalı Matematik 35, Springer, 2006.

Dergi makaleleri

[A1] "Örtülü Olarak Tanımlanmış İki Boyutlu Yüzeylerin Parçalı Doğrusal Yaklaşımı İçin Bir Algoritma", Eugene L. Allgower ve Stefan Gnutzmann, SIAM Journal on Numerical Analysis, Volume 24, Number 2, 452—469, 1987.

[A2] "Denklem Sistemlerine Yaklaşımlar, Sabit Noktalar ve Çözümler İçin Basit ve Devamlı Yöntemler", E. L. Allgower ve K. Georg, SIAM Review, Volume 22, 28-85, 1980.

[A3] "Örtük Tanımlanmış Bir Manifoldun Parçalı-Doğrusal Yaklaşımı İçin Bir Algoritma", Eugene L. Allgower ve Phillip H. Schmidt, SIAM Journal on Numerical Analysis, Volume 22, Number 2, 322-346, April 1985.

[A4] "Parçalı Doğrusal Yaklaşımlarla Kontur İzleme", David P. Dobkin, Silvio V.F.Levy, William P. Thurston ve Allan R. Wilks, ACM İşlemleri Grafikleri, 9 (4) 389-423, 1990.

[A5] "Çatallanma ve Doğrusal Olmayan Özdeğer Problemlerinin Sayısal Çözümü", H. B. Keller," Applications of Bifurcation Theory ", P. Rabinowitz ed., Academic Press, 1977.

[A6] "Yerel Olarak Parametrelendirilmiş Bir Devam Süreci", W.C. Rheinboldt ve J.V. Burkardt, Matematiksel Yazılımda ACM İşlemleri, Cilt 9, 236-246, 1983.

[A7] "Doğrusal Olmayan Sayısallar"E. Doedel, International Journal of Bifurcation and Chaos, 7(9):2127-2143, 1997.

[A8] "Doğrusal Olmayan Hesaplama", R. Seydel, International Journal of Bifurcation and Chaos, 7(9):2105-2126, 1997.

[A9] "Hareketli Çerçeve Algoritması ve Denge Manifoldlarının Üçgenlemesi Üzerine", W.C. Rheinboldt, T. Kuper, R. Seydel ve H. Troger eds." ISNM79: Bifurcation: Analysis, Algorithms, Applications ", sayfalar 256-267. Birkhauser, 1987.

[A10] "Parametreli Denklemlerin Çok Boyutlu Çözüm Manifoldlarının Hesaplanması Üzerine", W.C. Rheinboldt, Numerishe Mathematik, 53, 1988, sayfalar 165-181.

[A11] "Örtülü Olarak Tanımlanmış İki Boyutlu Manifoldların Basit Yaklaşımı Üzerine", M. L. Brodzik ve W.C. Rheinboldt, Computers and Mathematics with Applications, 28 (9): 9-21, 1994.

[A12] "Örtük Olarak Tanımlanmış p-Manifoldların Basit Yaklaşımlarının Hesaplanması", M.L. Brodzik, Bilgisayar ve Uygulamalarla Matematik, 36 (6): 93-113, 1998.

[A13] "İki Boyutlu Sayısal Devam için Yeni Algoritma", R. Melville ve D. S. Mackey, Computers and Mathematics with Applications, 30 (1): 31-46, 1995.

[A14] "Çoklu Parametre Devam: Örtük Tanımlanmış k-manifoldlarının Hesaplanması", M. E. Henderson, IJBC 12 [3]: 451-76, 2003.

[A15] "MANPACK: örtük olarak tanımlanmış manifoldlar üzerinde hesaplamalar için bir dizi algoritma", W. C. Rheinboldt, Comput. Math. Applic. 27 sayfa 15–9, 1996.

[A16] "CANDYS / QA - Doğrusal Olmayan Dinamik Sistemlerin Kalitatif Analizi İçin Bir Yazılım Sistemi", Feudel, U. ve W. Jansen, Int. J. Bifurcation and Chaos, cilt 2 no. 4, sayfa 773–794, World Scientific, 1992.