Hamilton方程的变分离散方法

讨论了经典Hamilton系统的变分原理 ,通过离散方程所对应的Lagrangian函数的方法 ,由离散的变分原理得到了一系列的辛差分算法 ,其中包括传统的辛格式 ,如 :辛Euler格式和中点格式 .

Birkhoff框架下Whittaker方程的离散变分算法

本文在Birkhoff框架下,采用离散变分方法研究了非Hamilton系统-Whittaker方程的数值解法,并通过和传统的Runge-Kutta方法进行比较,说明了在Birkhoff框架下研究非Hamilton系统可以得到更加可靠和精确的数值结果.

基于重心插值的多体系统动力学离散变分方法

针对多体系统动力学仿真欧拉—拉格朗日方程的数值求解,基于哈密顿原理和离散变分原理的方法,以平面双连杆为数值算例,使用插值方法和数值积分得到其离散的欧拉—拉格朗日方程,对该离散方程进行求解。离散过程采用重心拉格朗日插值提高算法稳定性,插值节点分别选取等距节点和非均匀节点,其中非均匀节点包括第一类、第二类Chebyshev节点,数值积分采用精度较高的高斯勒让德积分。数值结果表明,该方法在步长较大时相比传统采用的龙格库塔法得到较好的结果,并且具有更高的效率,适用于长时间仿真。

双帽Keggin型杂多阴离子[PM_(12)O_(40)(VO)_2]^(n-)(M=Mo,n=5;M=V,n=9)的离散变分方法研究

使用密度泛函理论的离散变分方法 (DFT DVM )研究了双帽Keggin型杂多阴离子 [PM12 O40 (VO ) 2 ] n-(M =Mo ,n =5 ;M =V ,n =9) ,即 [PMo12 O40 (VO) 2 ] 5-(a)和 [PV12 O40 (VO) 2 ] 9-(b)的电子结构 ,讨论了双帽的形成对Keggin型杂多阴离子的电子结构和催化性质的影响 ,并与其Keggin型杂多阴离子 (PM12 O40 ) n -(M =Mo ,n =3 ;M =V ,n =15 )的计算结果进行了对比分析 ,计算结果表明 ,双帽的形成对Keggin型杂多阴离子的电子结构产生了很大的影响 。

基于球摆模型的离散变分积分子算法研究

在动力学系统长时间的仿真计算中,力学系统固有的结构将影响到计算精度及稳定性.离散变分积分子能够保持力学系统的能量,动量及辛结构的守恒.结合离散变分原理,通过对系统的拉格朗日函数进行离散化以及求变分和积分的过程,可以得到力学系统的离散变分积分子算法.该算法是一种递归算法,给定初始条件便可得到系统的动力学参数的时间历程.使用该原理可以构造具有完整约束的拉格朗日系统的辛-动量积分子方法.与连续算法相比,离散变分积分子算法能够直接在离散拉格朗日函数的基础上得到姿态与角速度的递推公式,而不需要复杂的迭代计算.本文研究是基于第一类拉格朗日函数的离散变分积分子算法.球摆模型是一个具有完整约束的拉格朗日系统.仿真结果表明,系统的能量值在长时间的仿真中得到保持,且计算的精度与步长的数量级呈现二次方的关系,系统角速度和姿态的仿真结果都符合球摆的运动规律.

基于离散Legenda变换的Hamilton系统的变分算法和辛结构

根据动量的不同表达式,给出3种不同的Legenda变换形式;得到3种不同形式的Hamilton系统的动力学方程;给出辛结构守恒的具体形式;二自由度非线性谐振子的例子验证基于离散变分原理的算法具有保系统的能量守恒量性质.

变分和上同调的差分离散形式及其应用

回顾经典力学中的变分原理和离散变分原理的基本内容;简单介绍相空间作为辛流形上的欧拉-拉格朗日上同调、辛结构守恒的充要条件和刘维定理及其推广.在此基础上,介绍差分离散变分原理和欧拉-拉格朗日上同调的差分离散形式的概念和方法;及其在辛算法等领域的一些简单应用.

Birkhoff意义下Hojman-Urrutia方程的离散变分计算

在Birkhoff框架下,采用离散变分方法研究了非Hamilton系统-Hojman-Urrutia方程的数值解法,并通过和传统的Runge-Kutta方法进行比较,说明了在Birkhoff框架下研究这类不具有简单辛结构的非Hamilton系统可以得到更可靠和精确的数值结果.

基于李群离散变分积分子3D摆姿态动力学研究

主要研究了作为地球静止轨道卫星简化模型的3D刚体摆的离散变分积分子求解方法。基于常微分方程的连续求解方法无法保持总能量的计算值在长时间仿真中守恒,导致计算的失真;而离散方法不存在误差积累的问题,故系统的能量能在长时间仿真中守恒,从而保证系统动力学参数的计算值在长时间的仿真中保持稳定。基于李群的离散变分积分子不需要添加约束条件便可保证系统几何结构的守恒,且有较高的计算效率。仿真结果表明:在李群离散变分积分子算法下,处于地球静止轨道上的3D刚体摆的能量,动量及几何结构的计算值都可保持恒定。

TiO_2团簇的离散变分-X_α研究

利用离散变分 Xα(DV Xα)方法计算了不同大小TiO2 团簇模型的电子能级 ,并与实验结果进行了比较 ;给出了不同团簇的计算结果 ,并据此分析了各团簇的电子结构特征 .结果显示 :随着团簇增大 ,其电子能级的计算结果向能带理论的计算结果接近 ,而小团簇模型则更适合于研究原子之间的键合性质 .

基于离散变分算子的非保守Hamilton系统的Lie对称性与守恒量

从力学的变分原理出发,得到了受非保守约束力的Hamilton系统的动力学方程的离散形式和能量演化方程,即保结构数值算法格式.给出了非保守Hamilton系统的离散Lie对称性判定方程;基于离散Noether定理推导出系统Noether守恒量的离散形式.最后举例说明本文结论的合理性.

3D刚体摆动力学的离散变分数值方法研究

利用离散变分的数值积分方法研究3D刚体摆(3 Dimensional rigid pendulum)的姿态动力学数值计算问题。针对3D刚体摆的运动学及动力学方程解的稳定性及其能量、角动量与范数进行了数值仿真。在离散变分方法中引入李群概念,首先对3D刚体摆模型的简化形式——球摆做数值求解,然后分别对3D刚体摆的悬垂及倒置两种特殊情况进行数值求解,并将其结果与4阶龙格-库塔方法求解的结果进行比较。从数值仿真实验中可以看出,离散变分的数值积分方法相比龙格-库塔方法具有更高的精度。由此可得出李群离散变分方法具有较好的保结构及保能量特性。

基于Hermite插值的多体系统动力学离散变分方法

针对多体系统动力学数值仿真问题,研究基于Hermite插值的离散变分方法.首先对广义坐标和广义速度进行Hermite插值,结合Gauss数值积分方法,利用Hamilton原理和离散力学变分原理,建立了含已知导数信息和含未知导数信息的Hermite插值离散变分数学模型,求解得到精确度较高的动力学仿真结果.该方法可以在步长较大时精确保持约束方程,并保持系统总能量在一定范围内有界变化,适用于长时间仿真情况.

基于ResNet网络与离散变分自编码器的精细轮廓检测方法

传统的基于卷积神经网络的轮廓检测方法多为由编码网络和解码网络构成的编解码结构,存在轮廓定位不准确、输出轮廓模糊的问题。为解决这一问题,提出一种基于离散变分自编码器的轮廓检测方法。该方法舍弃了解码网络,利用离散变分自编码器的编码器和解码器分别配合编码网络进行训练和轮廓输出,并设计了带有动态权重的损失函数,用于解决本文方法在训练过程中遇到的类别分布极不均衡的问题。基于BIPED数据集,本文的轮廓精细度实验表明本文方法在更严格的评估标准下优于最新方法DexiNed。在一般的评估标准下,本文方法的ODS F-measure能够达到0.889,比最新方法DexiNed提高了3.0%。研究结果表明,对离散变分自编码器的利用不仅能帮助模型提高轮廓精细度,也能显著提高模型的轮廓检测性能。

一种基于离散变分原理的非线性动力系统参数识别方法

提出了一种辨识非线性动力系统模型参数的方法。首先将待辨识参数的导数引入到系统输出误差代价函数中;然后利用离散变分原理导出关于待辨识参数的差分方程,并与系统方程一同求解;最后通过迭代运算使待辨识参数从给定的初值收敛到稳定真值。利用本方法对非线性振动系统的模型参数分别进行了参数识别仿真,数值计算结果证明了方法的有效性。

非线性振动系统参数识别的迭代离散变分方法

针对存在干扰的非线性振动系统,本文提出了一种识别模型参数的时域迭代方法.首先,对于每一组包含随机干扰的测量数据样本,将待辨识参数对时间的导数引入到系统代价函数中,进而利用离散变分原理导出关于待辨识参数的差分方程,并与修改后的系统约束方程一同求解;通过迭代计算使待识别参数从给定的初始值收敛到稳定的真值.然后,对通过n组干扰样本得到的参数识别结果取平均值,并作为最终辨识结果.最后,利用本方法对一个四自由度非线性振动系统的模型参数进行了识别仿真,数值结果证明了该方法的有效性.

高阶梁振动偏微分方程离散变分方法

针对高阶梁振动偏微分方程这类求解问题,研究了离散变分方法。首先运用微分求积法离散空间,在时间区间上构造离散变分方法,对离散后的欧拉–拉格朗日方程进行变分。仿真实验运用MATLAB进行数值计算。以无轴向运动简支梁在外部激励下的强迫振动方程为例研究了插值基函数的种类、时间步长、插值节点类型与仿真时间等对求解的影响。数值结果表明,短时间内离散变分法的约束和能量稳定性优于经典龙格–库塔法;长时间仿真下,离散变分法的结果精度高于龙格–库塔法,并且可以很好地保持约束的稳定性。

Kepler问题的离散化和积分理论

引入差分离散变分原理,得到了Hamilton形式下的Kepler系统的差分方程、能量演化方程和系统的保辛数值算法格式,给出了离散Kepler系统的Noether定理.数值计算Kepler系统的运动轨迹、时间历程和守恒量,并和传统的4阶R-K方法比较,说明离散变分算法能够较好地保持系统的稳定性和具有较高的计算精度.

多刚体动力学仿真的李群变分积分算法

刚体的构形可用其质心位置和姿态矩阵描述.刚体的位置可以在欧几里得空间中表示,但是其姿态矩阵是在李群上演化的.由于李群独特的非线性性质,基于欧氏空间的多体动力学建模与数值算法难以完全真实地描述系统的动力学特性,特别是长时间历程的动力学特性.本文基于几何力学理论,首先根据离散Hamilton变分原理与离散Legendre变换,建立了多刚体系统的Hamilton体系李群变分积分公式.其次,给出李群变分积分公式的两种离散格式:一般离散格式和RATTLie离散格式.最后,采用这两种不同离散格式构建的算法计算了重力作用下空间刚体双摆的动力学问题,对比研究了算法在保持系统群结构、系统能量等方面的性质.计算结果表明,RATTLie离散格式较一般格式精度更高,且能更好地保持系统群结构与能量.

李群变分积分子在最优航迹规划中的应用

结合几何力学的相关理论,研究了个体航迹优化的控制策略及其算法实现。构造了随机规划算法以获取可行航迹点序列,具有较好的全局收敛性。利用最优控制方法求解所得航迹点之间的最优控制。几何力学着眼于个体的几何特性,利用李群来描述刚体的运动。依据离散变分原理,得到了刚体的李群变分积分子。藉由李群变分积分子构造的最优控制算法,可以高效地实现对刚体运动的最优控制。