Сибирский федеральный университет

Перевод названия: VARIABLE STRUCTURE ALGORITHM APPLYING 3-STAGE METHODS OF RUNGE-KUTTA AND ROSENBROCK TYPES

Тип публикации: статья из журнала

Год издания: 2015

Ключевые слова: Stiff system, schemes of Runge-Kutta and Rosenbrock types, Accuracy and stability control, automatic selection of a method, жесткая система, схемы типа Рунге - Кутты и Розенброка, контроль точности и устойчивости, автоматический выбор метода

Аннотация: Актуальность и цели. Проблема решения задачи Коши для жестких систем большой размерности возникает при моделировании физических и химических процессов, при аппроксимации уравнений в частных производных системой обыкновенных дифференциальных уравнений и во многих других важных приложениях. Учет большого числа факторов при построении математических моделей приводит к расширению класса задач, описываемых жесткими системами большой размерности. Сложность практических задач приводит к возрастающим требованиям к вычислительным алгоритмам. Материалы и методы. В случае большой размерности жесткой системы дифференциальных уравнений основные затраты приходятся на декомпозицию матрицы Якоби. В некоторых алгоритмах применяется замораживание матрицы Якоби, т.е. одна матрица используется на нескольких шагах интегрирования. Проблема замораживания матрицы достаточно просто решается в методах, в которых стадии вычисляются с применением итерационного процесса. Для безытерационных численных формул это существенная проблема. В данной работе сокращение затрат достигается за счет комбинирования явных и L -устойчивых методов по критерию устойчивости в процессе расчетов. Результаты. Создан алгоритм интегрирования переменной структуры на основе явной схемы типа Рунге - Кутты и L -устойчивого метода типа Розенброка третьего порядка. На каждом шаге эффективная численная формула выбирается по критерию устойчивости. Оценка максимального собственного числа матрицы Якоби, необходимая для переключения между методами, для явных численных схем определяется степенным методом через ранее вычисленные стадии, а для метода типа Розенброка - через норму матрицы Якоби. Построены неравенства для контроля точности и устойчивости. Приведены результаты расчетов. Выводы. Алгоритм интегрирования предназначен для решения жестких задач большой размерности. Результаты расчетов подтверждают эффективность построенного алгоритма. Background. The Cauchy problem for large-scale stiff systems arises in simulation of physical and chemical processes, in approximation of partial differential equations by a system of ordinary differential equations and in plenty of other important applications. Taking into consideration a large number of factors in model development leads to expansion of a class of problems, determined by stiff systems of high dimension. The complexity of practical problems leads to additional requirements to computational algorithms. Materials and methods. Dealing with high dimensionality of a stiff system of ordinary differential equations, the main computational expenses concern the Jacobi matrix decomposition. In some algorithms one may use freezing of the Jacobi matrix, i.e. applying the same matrix over several integration steps. The problem of freezing is solved rather easy in those methods, the stages of which are computed using some iterative processes. For non-iterative numerical formulas the freezing is quite a difficult problem. In this study, the costs reduction was achieved by combining explicit and L-stable methods using the criterion of stability in calculations. Results. The author has created an algorithm of variable structure integration, based on the explicit scheme of the Runge-Kutta type and the L-stable method of the Rosenbrock type. Both schemes have the third order of accuracy. An efficient numerical formula was chosen according to the criterion of stability at each step of integration. Estimation of maximum eigen value, which is necessary to switch between the methods, for explicit numerical schemes was determined by power iterations using already computed stages, and using the Jacobi matrix norm for the Rosenbrock type method. The researcher also formulated inequalities for accuracy and stability control. The article adduces the results of calculations. Conclusions. The integration algorithm is aimed at solving stiff problems of high dimension. Numerical results confirm the efficiency of the constructed algorithm.

Журнал: Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки

Выпуск журнала: № 3

Номера страниц: 50-60

ISSN журнала: 20723040

Место издания: Пенза

Издатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет"

• Новиков Евгений Александрович (Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН)

• Ядро РИНЦ (eLIBRARY.RU)
• Список ВАК