几类辛方法的数值稳定性研究

主要对一阶隐式Euler辛方法M1、二阶隐式Euler中点辛方法M2、一阶显辛Euler方法M3和二阶leapfrog显辛积分器M4共4种辛方法及一些组合算法进行了通常意义下的线性稳定性分析．针对线性哈密顿系统,理论上找到每个数值方法的稳定区,然后用数值方法检验其正确性．对于哈密顿函数为实对称二次型的情况,为了理论推导便利,特推荐采用相似变换将二次型的矩阵对角化来研究辛方法的线性稳定性．当哈密顿分解为一个主要部分和一个小摄动次要部分且二者皆可积时,无论是线性系统还是非线性系统,这种主次分解与哈密顿具有动势能分解相比,明显扩大了辛方法的稳定步长范围．     

带电测试粒子在磁化史瓦西黑洞中的混沌运动

当史瓦西黑洞周围存在渐近均匀的外部磁场时, 描述带电粒子在史瓦西黑洞附近运动的哈密顿系统会变为不可积系统. 类似于这样的相对论哈密顿系统不存在有显式分析解的2部分分离形式, 给显式辛算法的构建和应用带来困难. 近一年以来的系列工作提出将相对论哈密顿系统分解为具有显式分析解的2个以上分离部分形式, 成功解决了许多相对论时空构建显式辛算法的难题. 最近的工作回答了哈密顿系统显式可积分离数目对长期数值积分精度有何影响、哪种显式辛算法有最佳长期数值性能这两个问题, 指出哈密顿有最小可积分离数目即3部分分裂解形式并且应用于优化的4阶分段龙格库塔显式辛算法可取得最好精度. 由此选择上述数值积分方法并利用庞加莱截面、最大李雅普诺夫指数和快速李雅普诺夫指标研究在磁化史瓦西黑洞附近运动的带电粒子轨道动力学. 结果显示: 针对某特定的粒子能量和角动量, 较小的外部磁场很难形成混沌轨道; 较大的正磁场参数容易使轨道产生混沌, 并且随着磁场的增大, 轨道的混沌程度也随之加强; 粒子能量适当变大也可以加剧混沌程度, 但负磁场参数和粒子角动量变大都会减弱混沌.     

关于太阳系小天体轨道演化的算法研究

太阳系小天体的运动对应—哈密顿(Hamilton)系统,对其轨道演化的数值研究宜采用哈密顿算法(即辛算法)。本文将仔细讨论这一问题,并以主带小行星的运动为例,较系统地介绍几种辛算法对应的显式辛差分格式。     

辛算法在动力天文中的应用（Ⅲ）

文［１］和文［２］从哈密顿系统的整体结构保持一角度阐明了辛算法［３－６］的主要功能，本文将从定量的角度进一步表明辛算法的另一独特优点－可以控制天体运动沿迹误差的快速增长，并对可分离哈密顿系统的显式辛差分格式稍加改进，推广应用到一般动力系统，该系统含有小耗散项或小的不可分离项，计算结果表明，效果极佳，因此，辛算法与传统的数值解法相比，确有很多优点。     

一个膺三阶辛积分器

在太阳系动力学中,辛积分器已成为研究哈密顿系统的长期定性演化的最佳工具.对于可积分离的哈密顿系统H=H0+∑i=1N∈iHi(∈≤1),构造了一个膺三阶辛积分器.它大约相当于Wisdom-Holman二阶辛积分器的一次校正或Forest-Ruth四阶辛算法的精度.此外,含力梯度的辛算法也适合处理哈密顿系统H=Ho(q,P)+∈H1(q),其精度好于原辛积分器,但不优越于相应膺高阶辛积分器.     

辛方法的校正公式

1996年Wisdom等提出了对辛方法进行校正的概念和实践，现在继续对辛校正进行详尽讨论和数值比较，尤其对哈密顿函数可分解为一个主要部分和多个次要部分的一般情形，用Lie级数推导任意阶的各种辛算法的一次和二次辛校正公式并对一些算法给出具体的辛校正公式。又以日、木、土三体问题为模型进行数值实验，结果表明一次辛校正能提高精度，改善数值稳定性。计算效率也比较高，因而值得推荐使用，辛方法通常用大步长数值积分，这时二次辛校正并没有显著提高结果的精度，却大大增加了计算时间，不应予以推荐。     

约束条件和数值积分

自治的哈密顿系统存在约束条件，例如能量积分或广义相对论中的4速度大小为常数，它能否在数值积分过程中始终满足将直接影响数值稳定性．在牛顿力学中哈密顿系统的动能一般为椭圆型，直接运用约束条件对方程进行降阶存在开平方判断正负号的困难，导致应用高精度的经典数值积分器时能量存在耗散．然而相对论力学的度规为双曲型，利用约束条件有可能实行方程降阶．在时空具有一定对称性的情况下，能够找到整个时空的一个全局变换使变换后的度规的主对角线某一元素为零，于是从约束方程中不需开平方能够解出某一动量，顺利实现运动方程的降阶．相对论力学中另一个可以降阶的模型是Mixmaster宇宙模型．数值实验表明将经典算法用于降阶后的运动方程能够严格地满足约束，但不一定能保持辛结构。     

近地小行星轨道演化的数值研究与辛算法有效性的探讨

本文采用改进的显式辛算法（symplecticalgorithm）和嵌套的RKF7（8）积分器对43颗已命名（或编号）的近地小行星的轨道演化进行数值研究．在力学模型上,除考虑各大行星的引力振动外,还增加了后牛顿效应,而在算法上则着重探索辛算法在近地小行星轨道演化研究中的应用前景,特别是当小行星与某一大行星靠近时辛算法的有效性．本文的结果可为了解近地小行星的轨道演化状况和对它们进行监测提供可靠的信息．     

关于数值求解天体运动方程的几个问题

本文讨论三个问题：1.在采用各种非辛（Symplectic）的数值积分器积分天体运动方程时，截断误差将引起人为的能量耗散，这一问题是不能用简单地在相应的力模型中加进一个人为的阻力因子而得以解决的，被歪曲的能量（或数值轨道）必须在积分过程的每一步用能量关系来进行校正，此即能量控制方法．2.当摄动加速度涉及到坐标轴的旋转时，如何在各种积分器中采用能量控制方法．3.对于大偏心率轨道，用数值方法求解相应运动方程时，积分步长必须随运动天体与中心天体之间的距离变化而改变，显然，这对所有积分器都是不方便的，特别是多步积分器．本义给出了一种步长均匀化的处理，可以使上述大偏心率轨道积分问题按定步长计算．     

St?ckel引力势理论的拓展及其应用

St?ckel引力势是一类最普遍形式的可分离势。具有St?ckel形式的星系是完全可积系统,即其中的恒星轨道都是规则的,其运动积分可以解析求出。运动积分——特别是作用量(J,一种特殊的运动积分),能简化恒星运动的描述;研究星系中恒星的运动学和动力学的重要途径是作用量空间,比如使用以作用量作为参量的分布函数f(J_R, L_z, J_z)。通过将一般星系的引力势局部地近似成St?ckel势,人们可以估算一般星系中恒星运动的作用量。介绍天文学家在拓展St?ckel引力势的研究上取得的重大进展:在基于St?ckel势理论估算一般星系中的作用量(或运动积分)方面,开发出了若干快速数值算法(例如St?ckel作弊法[St?ckel Fudge]、St?ckel拟合法),基于环面映射的收敛性高精度数值算法(例如轨道积分拟合生成函数法、迭代环面构造法),以及提出作为近似的运动积的解析表达式;在分布函数的构造方面,基于上述估算的作用量或直接利用St?ckel势的运动积分公式(主要是I_3表达式),提出了一些分布函数模型,f(J_R, L_z, J_z)或f(E, L_z, I_3)。这些进展使得人们可以对星系开展基于分布函数的建模。此外,还介绍近几年把这些方法应用到银河系观测数据的若干代表性工作。     

天体轨道长期数值积分的误差估计方法

数值积分方法是进行天体力学研究的重要工具, 尤其对于行星历表的研究工作而言. 由于在使用数值方法计算天体轨道时, 最终误差通常是难以预知的, 所以在面对精度要求较高或者积分时间较长的工作时具体积分方案的设计---尤其是当使用定步长方法时的步长选择---需要十分谨慎, 因为这将意味着是否能在时间成本可以被接受的范围内使解的精度达到要求. 因此, 在使用数值方法解决实际问题时如何快速寻找效率与精度之间的最佳平衡点是每一个数值积分方法的设计者与使用者都会面临的难题. 为解决这一问题, 在定步长条件下对数值积分方法的舍入误差概率分布函数以及截断误差积累量对步长的依赖关系和随时间的增长关系进行了深入研究. 基于所得结论, 提出了一种仅需较少的数值实验资料即可对选择任意时间步长积分至任意积分时刻时的舍入误差概率分布函数与截断误差积累量进行准确估计的方法, 并使用Adams-Cowell方法对该误差估计方法在圆周期轨道条件下进行了验证. 该误差估计方法在未来有望用于不同数值算法的性能对比研究, 同时也可以对数值积分方法求解实际轨道问题时的决策工作带来重要帮助.     

旋涡星系密度波理论中Poisson积分的简化及应用

本文给出了旋涡星系密度波理论中Poisson积分的一种简化方法。这一简化的最重要应用在于利用它计算旋涡模式时可节省大量计算机时。此外本文还利用这种简化方法对一系列密度——引力势渐近关系进行了系统的数值检验。 用这一简化方法计算核函数比用未简化的核函数形式直接计算节省机时八十四倍。当在数值模式理论研究中大量计算Poisson积分时,应用本文提出的简化将有效地提高计算效率并保证足够高的精度。     

高斯型龙格库塔积分器

提出并建立了一种新型的常微分方程数值解法－高斯型隐式Runge-Kutta算法,该算法具有κ级2κ－1阶的代数精确度。数值结果表明,高期型隐式Runge-Kutta算法比传统显示Runge-Kutta算法精度高,稳定性好。     

Hill 方程的严格解

Poincar(?)曾经论断,无法求出非正则积分的显式,Hill 方程的经典理论只能导致无穷行列式的数值分析.本文尝试阐明上述论断的实质,提出了对应原理和树图法,得到了 Hill 函数的显示表达方法,其形式是个新型的 Taylor-Fourier 混合级数.由此直接得到 Floquet 指标和赝周期运动的边界.本文还讨论了解的收敛性和与赝周期解的关系.本法可以推广用来探讨一般非 Fuchs 型方程的非正则积分问题.     

辛积分器中沿迹误差的一种补偿方法

辛积分器严格描述了一摄动Ｈａｍｉｌｔｏｎ系统的流，因而导致天体轨道的沿迹误差随时间呈线性增长趋势。本文利用这一特点，提出了一种对其沿迹误差进行估算的数值方法，从而达到了对数值结果进行沿迹误差补偿的目的，数值结果证实了此方法在较大积分步长和较长积分时间的数值计算中是有效的。     

RKNF方法和大偏心率轨道数值积分

本文比较在建立中等和大偏心率轨道的精密数值历表时几种数值方法的计算效率,特别推荐国内轨道工作中尚未见使用的直接积分２ 阶微分方程的ＲＫＮＦ 方法。数值实算表明,在方程右函数显含速度和中等或大偏心率轨道情况下,嵌套的７ 阶方法ＲＫＮＦ７８ 是一个普适性好、效率高、程序设计简单的方法。     

基于Broyden方法的不对称与对称周期解延拓算法与应用

考虑周期解的数值延拓问题并提出基于Broyden拟牛顿法来延拓周期解的一种有效算法,先后以布鲁塞尔振子、平面圆型限制性三体问题(Planar Circular Restricted Three-Body Problem, PCRTBP)的周期解为例进行了验证.这里的Broyden方法包含线性搜索、正交三角分解求线性方程组的步骤.对一般的周期解,周期性条件方程组中含有周期作为待延拓参数,可用周期来决定积分时长,将解代入周期性条件得到积分型的非线性方程组,利用Broyden方法迭代延拓直至初值收敛.根据两次垂直通过一个超平面的轨道是对称周期轨道的性质,可采用插值的方法求得再次抵达超平面的解分量,得到周期性条件方程组,再用Broyden方法求解.结合哈密顿系统的对称性和PCRTBP周期轨道的一些分类,对2/1、3/1的内共振周期解族进行了数值研究.最后,对算法和计算结果做了总结和讨论.     

关于辛算法的变步长问题

本文对Runge—Katta差分格式与辛差分格式作了简单比较,给出了一种娄似于RKF方法的可变步长的辛算法,通过具体的数值计算验证了此方法的有效性.     

关于近地小行星轨道演化的初步探索

本文采用改进的显式辛算法和嵌套的PKF7（8）积分器同时对86颗已命名（或编号）的近地小行星的轨道演化进行了数值研究，在103－104年的时间尺度上，给出了这些小行星轨道演化的状况以及它们与几颗大行星靠近的最小距离，特别是与地球接近的最小距离可小于0．01天文单位，甚至可能比月球还更靠近地球．     

自旋致密双星后牛顿哈密顿系统轨道动力学数值研究

由中子星或黑洞构成的旋转致密双星后牛顿哈密顿系统属于相对论二体问题,该系统不但含有丰富的共振和混沌等动力学现象,而且成为探测引力波的理想天然波源.引力体的轨道动力学性质会在引力波中得到反映.因此,实际天体的混沌性既可能是对引力波探测的挑战,又可望是获得观测效应的机遇.本学位论文正是在这样的国际学术氛围下数值研究旋转致密双星后牛顿保守哈密顿动力学问题.基于最小二乘法原理我们构造了单和双标度因子等几种流形改正方法,分别对旋转致密双星后牛