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哈密尔顿系统高效高精度算法研究及其应用

批准号:
12061023
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
安静
依托单位:
学科分类:
微分方程数值解的基础理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
安静

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
哈密尔顿系统是一类非常重要的动力系统,它在经典力学、分子动力学、流体力学等科学领域有着广泛的应用。由于精确求解非线性哈密尔顿系统通常是比较困难的,寻求高效高精度的数值方法是很多学者一直关注的问题。因此,本项目拟从三个方面提出非线性哈密尔顿系统的一些新的高效高精度数值方法:(1)提出非线性哈密尔顿系统基于勒让德多项式的一种高阶谱变分积分子方法,从而以较少的自由度获得具有谱精度的数值解。并对该算法的保辛性质,非线性迭代的收敛性等性质从理论上加以分析和证明。(2)提出非线性哈密尔顿系统基于SAV格式和区域分解的一种有效的谱Petrov-Galerkin方法。并对该算法的保能量性质,数值解的收敛性等性质从理论上加以分析和证明。(3)在上面两种算法的基础上,提出量子非线性动力学方程组的一种有效的谱方法,并将该算法用于研究非线性效应对量子系统的影响。
英文摘要
Hamiltonian system is a kind of very important dynamical system, which is widely used in classical mechanics, molecular dynamics, hydrodynamics and other scientific fields. Because it is usually difficult to solve the nonlinear Hamiltonian system analytically, many scholars have been paying attention to the problem of finding efficient and high-precision numerical methods. Thus, this project attempts to propose some new efficient and high-precision numerical methods for nonlinear Hamiltonian system from three aspects: (1) Propose a high order spectral variational integrators method based on Legendre polynomials for nonlinear Hamiltonian system, and obtain the numerical solution with spectral accuracy with less degrees of freedom. Further theoretically analyze and prove the symplectic preserving property and the convergence of nonlinear iteration. (2) Propose an effective spectral Petrov-Galerkin method based on SAV scheme and domain decomposition for nonlinear Hamiltonian systems, and further theoretically analyze and prove the properties of energy conservation and convergence of numerical solution. (3) Based on the above two algorithms, propose an effective spectral method to solve quantum nonlinear dynamics equations, and use this algorithm to study the influence of nonlinear effect on quantum systems.
哈密尔顿系统是动力学领域中一个极为重要的系统类别,广泛应用于经典力学、分子动力学、流体力学等多个科学领域。因此,哈密尔顿系统在物理学及其相关学科中具有重要意义。由于解析求解非线性哈密尔顿系统通常是比较困难的,设计高效高精度的数值方法成为了学术界的一个长期研究重点。本项目针对非线性哈密尔顿系统的数值计算问题进行了系统的深入研究,主要成果概述如下:首先,针对非线性哈密尔顿系统,我们提出了一种基于标量辅助变量(SAV)的谱 Petrov-Galerkin 方法,该方法结合了 SAV 和谱方法的优点,既保证了修正的能量守恒,而且还具有谱精度。其次,针对二维非线性薛定谔方程,我们在哈密尔顿系统框架下提出了一种 Crank-Nicolson 谱方法,并证明了其能量守恒性质。在量子信息领域,我们提出了光机哈密顿系统的一种基于相位积累效应的非局域量子传输协议,通过光学模态与机械模态之间的量子通道,实现了单向量子态传输,为非互易的量子传输提供了新思路。另外,基于 SAV思想,我们提出了Navier-Stokes 相场晶体模型一种结合有限元与非局部分离技术的全离散格式,解决了高维度和非线性问题中的能量稳定性和计算效率问题。在此基础上,我们还提出了四阶抛物问题及Allen-Cahn 方程一种 差分谱逼近方法,并证明了其能量稳定性和误差估计。最后,我们还对相关的 Maxwell 和 Helmholtz 传输特征值问题提出了一种基于降维格式的混合谱方法,并从理论上证明了逼近特征值和特征函数的误差估计。总体而言,本项目的研究为非线性哈密尔顿系统及其相关领域问题的数值分析与算法发展提供了一种新的数值方法。
四阶旋度问题高效谱方法研究及应用
  • 批准号:
    12461078
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    安静
  • 依托单位:
非线性Hamiltonian 系统高效谱方法及其应用
  • 批准号:
    11726604
  • 项目类别:
    数学天元基金项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    安静
  • 依托单位:
麦克斯韦传输特征值问题有效的谱元方法及其在逆介质问题中的应用
  • 批准号:
    11661022
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    38.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    安静
  • 依托单位:
国内基金
海外基金