力梯度辛算法在外限制性系外行星三体问题中的应用

旋转质心坐标系下的椭圆型外限制性系外行星三体问题的哈密顿方程含有坐标和动量的交叉项,并且显含时间变量,系统不再守恒,显式力梯度辛算法无法直接应用。对此,通过扩大相空间将非保守哈密顿系统变换为自治的哈密顿系统,并重新构造力梯度辛算法,实现力梯度辛算法在椭圆型外限制性三体问题中的应用。结果表明,构造的力梯度辛算法的精度优于非力梯度辛算法,并且优化后的力梯度辛算法的精度优于未优化的力梯度辛算法。此外,采用优化的力梯度算法,以及快速Lyapunov指数对椭圆型外限制性系外行星三体系统进行相空间扫描,获得了各参数对行星轨道动力学稳定性的影响。

含力梯度显辛算法拓广于摄动二体问题

将T+V分解形式的哈密顿系统对应的含力梯度显辛算法推广到具有H0+H1分解形式(其中T为动能,V为势能,而H0和H1均可积且前者是主要部分),并将其应用于求解摄动二体问题。能量相对误差表明H0+H1分解的含梯度显辛算法明显优于相应的T+V分解方法。

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。