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。     

辛算法的分类与发展

辛算法作为研究哈密顿系统长期定性演化的最佳积分工具,自问世以来就受到了很大的关注。通过对哈密顿函数的截断误差分析,可以从不同角度构造出较高精度的辛算法,也可以通过引入正规化技术实现自动调整积分步长和改善数值稳定性。从辛算法的表现形式可以将它分为显式和隐式两种。当哈密顿系统能够分解为几个可积部分且每部分的解能用时间显函数来表示时,可以构造显式算法。显式算法有非力梯度显式辛算法、力梯度辛算法、辛校正、类高阶辛算法四种。当哈密顿系统变量不能分离时,适合应用隐式辛算法和扩充相空间对称算法求解。分别对这些算法的构造方法及其适用的物理模型进行归纳对比,分析了各种辛算法的优劣性和发展趋势,对如何选择辛算法高效高精度地解决实际问题提供了一定的理论和数值计算依据。     

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.     

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．     

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。     

尘埃彗尾的结构

本文以“三维的”粒子运动讨论了尘埃彗尾的结构,为了便于使用电子计算机和讨论各种μ值的粒子的运动,引入哈密顿积分 b,获得了以三维矢量和适用于各种μ值的开普勒运动的各个公式.考虑粒子的三维运动及其运动范围,使过近日点后的尘埃彗尾出现一“颈线结构”.利用此颈线解释向日尾并分析了其产生的可能性.最后给出了一种定量分析尘埃彗尾亮度分布的方法,本法的基本想法是在考虑有关粒子抛射的函数条件下,计算取样粒子的运动,并利用计数法求出其数密度.本文结果在所取函数条件下是一严格解.应用时,我们假定两函数N.(t_i),ψ(v;r,t)及 v_0的函数形式,以有关粒子性质的函数 f(r)为参量,分析了阿朗-罗兰彗星的尘埃彗尾(包括向日尾)的亮度分布(图14,15),并得到函数 f(r)(图16).     

GPS接收机的中频信号处理算法研究

该文对GPS接收机的中频信号处理算法进行了研究,内容主要涉及信号捕获、载波恢复和伪码跟踪3部分,详细分析了信号捕获过程中所采用的匹配滤波器法、快速傅里叶算法(FFT)、锁频环(FLL)、锁相环(PLL)以及延迟锁定环(DLL)的算法原理,并对环路滤波器作了相应的阐述,给出环路对应的递推公式．     

考虑后牛顿效应的二体问题的解和星历计算

本文给出考虑后牛顿(PN)效应的二体问题解所对应的基本关系式,并仿照开普勒(Kepler)运动,给出星历表计算方法和相应的计算公式以及适用于数值研究中的简单形式。     

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．     

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．     

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。     

Existence of formal integrals of symplectic integrators

A recurrent method of solving the formal integrals of symplectic integrators is given. The special examples show that there are no long-term variations in all integrals of the Hamiltonian system in addition to the energy one when symplectic integrators are used in the numerical studies of the system. As an application of the formal integrals, the relation between them and the linear stability of symplectic integrators is discussed.     

Global applicability of the symplectic integrator method of hamiltonian systems

The global validity of the symplectic integration method or mapping approach is discussed in this paper. The results show that in the regions of phase space where symplectic integration schemes and the Hamiltonian system possess the same topology, they are effective; but in the regions where the schemes possess some other fixed points than those of the Hamiltonian system, their topologies are different from that of the actual system, thus the symplectic integration method or mapping approach is not effective globally.Supported by the National Natural Science Foundation of China and a grant from the Ph.D. Foundation.     

QYMSYM: A GPU-accelerated hybrid symplectic integrator that permits close encounters

We describe a parallel hybrid symplectic integrator for planetary system integration that runs on a graphics processing unit (GPU). The integrator identifies close approaches between particles and switches from symplectic to Hermite algorithms for particles that require higher resolution integrations. The integrator is approximately as accurate as other hybrid symplectic integrators but is GPU accelerated.     

A pseudo third order symplectic integrator

The symplectic integrator has been regarded as one of the optimal tools for research on qualitative secular evolution of Hamiltonian systems in solar system dynamics. An integrable and separate Hamiltonian system H = H₀ + Σ_i=1^N ε_iH_i (ε_i ≪ 1) forms a pseudo third order symplectic integrator, whose accuracy is approximately equal to that of the first order corrector of the Wisdom-Holman second order symplectic integrator or that of the Forest-Ruth fourth order symplectic integrator. In addition, the symplectic algorithm with force gradients is also suited to the treatment of the Hamiltonian system H = H₀(q,p) + εH₁(q), with accuracy better than that of the original symplectic integrator but not superior to that of the corresponding pseudo higher order symplectic integrator.     

Non-Existence of the Modified First Integral by Symplectic Integration Methods II: Kepler Problem

Symplectic integration methods conserve the Hamiltonian quite well because of the existence of the modified Hamiltonian as a formal conserved quantity. For a first integral of a given Hamiltonian system, the modified first integral is defined to be a formal first integral for the modified Hamiltonian. It is shown that the Runge-Lenz vector of the Kepler problem is not well conserved by symplectic methods, and that the corresponding modified first integral does not exist. This conclusion is given for a one-parameter family of symplectic methods including the symplectic Euler method and the Störmer/Verlet method.