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Inherent Numerical Instability in Computing Invariant Measures of Markov Chains
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作者 Hendrik Baumann Thomas Hanschke 《Applied Mathematics》 2017年第9期1367-1385,共19页
Invariant measures of Markov chains in discrete or continuous time with a countable set of states are characterized by its steady state recurrence relations. Exemplarily, we consider transition matrices and Q-matrices... Invariant measures of Markov chains in discrete or continuous time with a countable set of states are characterized by its steady state recurrence relations. Exemplarily, we consider transition matrices and Q-matrices with upper bandwidth n and lower bandwidth 1 where the invariant measures satisfy an (n + 1)-order linear difference equation. Markov chains of this type arise from applications to queueing problems and population dynamics. It is the purpose of this paper to point out that the forward use of this difference equation is subject to some hitherto unobserved aspects. By means of the concept of generalized continued fractions (GCFs), we prove that each invariant measure is a dominated solution of the difference equation such that forward computation becomes numerically unstable. Furthermore, the GCF-based approach provides a decoupled recursion in which the phenomenon of numerical instability does not appear. The procedure results in an iteration scheme for successively computing approximants of the desired invariant measure depending on some truncation level N. Increasing N leads to the desired solution. A comparison study of forward computation and the GCF-based approach is given for Q-matrices with upper bandwidth 1 and 2. 展开更多
关键词 Invariant Measures of MARKOV CHAINS inherent numerical instability of linear difference equations GENERALIZED Continued FRACTIONS Convergence Criteria for GENERALIZED Continued FRACTIONS TRUNCATION Procedures for INFINITE Matrices
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KdV-Burgers方程的一类新本性并行差分格式
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作者 潘悦悦 杨晓忠 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2023年第5期583-594,共12页
KdV-Burgers方程作为湍流规范方程,具有深刻的物理背景,其快速数值解法具有重要的实际应用价值.针对KdV-Burgers方程,提出了一种新型的并行差分格式.基于交替分段技术,结合经典Crank-Nicolson(C-N)格式、显格式和隐格式,构造了混合交替... KdV-Burgers方程作为湍流规范方程,具有深刻的物理背景,其快速数值解法具有重要的实际应用价值.针对KdV-Burgers方程,提出了一种新型的并行差分格式.基于交替分段技术,结合经典Crank-Nicolson(C-N)格式、显格式和隐格式,构造了混合交替分段Crank-Nicolson(MASC-N)差分格式.理论分析表明MASC-N格式是唯一可解、线性绝对稳定和二阶收敛的.数值试验表明,MASC-N格式比C-N格式具有更高的精度和效率.与ASE-I和ASC-N差分格式相比,MASC-N并行差分格式有最好的性能.表明该文的MASC-N并行差分方法能有效地求解KdV-Burgers方程. 展开更多
关键词 KDV-BURGERS方程 MASC-N并行差分格式 线性绝对稳定性 收敛性 数值试验
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指数时间差分法在旋转柔性梁动力学仿真中的应用策略
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作者 方思明 王贤明 郭书豪 《高技术通讯》 CAS 2023年第9期990-999,共10页
本文针对非惯性系下旋转柔性梁的数值仿真,研究指数时间差分法(ETD)的应用策略。作为一种指数积分法,ETD格式中指数积分项所涉及的矩阵指数(被称为线性算子)的合理选取对于旋转柔性梁动力学这类数值刚性问题的有效求解十分关键。考虑到... 本文针对非惯性系下旋转柔性梁的数值仿真,研究指数时间差分法(ETD)的应用策略。作为一种指数积分法,ETD格式中指数积分项所涉及的矩阵指数(被称为线性算子)的合理选取对于旋转柔性梁动力学这类数值刚性问题的有效求解十分关键。考虑到旋转柔性梁动力刚化等物理特性,将系统大范围转动的信息纳入线性算子的构造。数值算例结果表明,线性算子的选取对算法的稳定性以及精度都有很大影响,根据角速度来选取线性算子是一种合理、有效的方式。对于本文的算例,当线性算子取为最大角速度时的Jacobian矩阵时,ETD格式求解的稳定性最好。总之,本文的线性算子选取策略可以提高ETD格式的数值稳定性和求解效率。 展开更多
关键词 旋转柔性梁 动力学数值仿真 刚性微分方程 指数时间差分法 线性算子
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二维浅水波方程的数值激波不稳定性 被引量:1
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作者 沈智军 胡立军 闫伟 《计算物理》 EI CSCD 北大核心 2012年第1期25-35,共11页
研究二维浅水波方程的数值激波不稳定性问题.线性稳定性分析和数值实验表明,格式的临界稳定性与数值激波的不稳定现象有重要的联系.基于扰动量的增长矩阵分析,本文将高分辨率的数值格式和HLL格式进行特定的加权,设计一类新的混合型数值... 研究二维浅水波方程的数值激波不稳定性问题.线性稳定性分析和数值实验表明,格式的临界稳定性与数值激波的不稳定现象有重要的联系.基于扰动量的增长矩阵分析,本文将高分辨率的数值格式和HLL格式进行特定的加权,设计一类新的混合型数值格式.其中可以调节非线性波速的HLLC与HLL的混合格式,数值试验展示了消除浅水波方程激波不稳定现象的有效性和鲁棒性. 展开更多
关键词 激波不稳定性 浅水波方程 线性稳定性分析 混合通量格式
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非定常N-S方程的线化及其差分求解 被引量:1
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作者 张扬军 陶德平 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1994年第1期121-126,共6页
在微幅简谐振荡的假设下,对计算平面内非定常N-S方程进行了线比,并在MacCormark于1980年提出的半隐格式的基础上,发展了一种适用于求解计算平面内线化N-S方程的差分格式.用该差分格式求解计算平面内的线化N-... 在微幅简谐振荡的假设下,对计算平面内非定常N-S方程进行了线比,并在MacCormark于1980年提出的半隐格式的基础上,发展了一种适用于求解计算平面内线化N-S方程的差分格式.用该差分格式求解计算平面内的线化N-S方程时,可以避免求解五对角方程;且时间步长可以取得较大,计算效率高. 展开更多
关键词 非定常流动 差分方程 振荡
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Rosenau-Burgers方程的一种新的二阶线性差分格式
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作者 马维元 汤玉荣 花川宁 《河北师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2012年第6期564-568,共5页
对于Rosenau-Burgers方程,提出了一种新的线性的三层差分格式,该格式在空间和时间上具有二阶精确.利用离散能量法证明差分解的收敛性和稳定性,并用数值实验验证该方法的可靠性.
关键词 Rosenau-Burgers方程 线性差分格式 收敛 数值试验
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拟线性反应扩散方程的数值解
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作者 李祥贵 《石油大学学报(自然科学版)》 CSCD 1992年第1期93-99,共7页
处理了一类拟线性反应扩散程的数值解,得到了隐式差分格式的解收敛到连续问题的解的证明,并从减少计算时间的角度出发,给出了一个收敛的改型差分方程.
关键词 线性方程 数值解 隐式差分
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Burgers-Fisher方程改进的交替分段Crank-Nicolson并行差分方法 被引量:2
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作者 潘悦悦 吴立飞 杨晓忠 《高校应用数学学报(A辑)》 北大核心 2021年第2期193-207,共15页
Burgers-Fisher方程在气体动力学,热传导,弹性力学等领域有着广泛的应用,其快速数值解法具有重要的科学意义和工程应用价值.文中提出Burgers-Fisher方程改进的交替分段Crank-Nicolson(IASC-N)并行差分方法.IASC-N格式的构造是基于交替... Burgers-Fisher方程在气体动力学,热传导,弹性力学等领域有着广泛的应用,其快速数值解法具有重要的科学意义和工程应用价值.文中提出Burgers-Fisher方程改进的交替分段Crank-Nicolson(IASC-N)并行差分方法.IASC-N格式的构造是基于交替分段技术,将古典显式格式,隐式格式和Crank-Nicolson(C-N)格式恰当组合.理论分析了IASC-N并行差分格式解的存在唯一性,稳定性和收敛性.数值试验表明IASC-N并行差分格式线性绝对稳定,具有时间和空间二阶精度.相比串行C-N格式,IASC-N格式的计算时间能节省大约40%.说明IASC-N并行差分方法对于求解Burgers-Fisher方程是高效的. 展开更多
关键词 BURGERS-FISHER方程 IASC-N并行差分格式 线性绝对稳定性 收敛性 数值试验
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一类非线性反应-扩散-对流方程的显隐交替差分方法 被引量:1
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作者 吴吉明 李嘉正 杨晓忠 《内蒙古大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2021年第4期354-364,共11页
非线性反应-扩散-对流方程,广泛存在于化学工程,传热传质和水质污染等领域中,其数值解法具有重要的科学意义和工程应用价值。针对一类非线性反应-扩散-对流方程,本文提出一类显式和隐式交替差分方法,基于交替技术将时间网格点按照奇偶划... 非线性反应-扩散-对流方程,广泛存在于化学工程,传热传质和水质污染等领域中,其数值解法具有重要的科学意义和工程应用价值。针对一类非线性反应-扩散-对流方程,本文提出一类显式和隐式交替差分方法,基于交替技术将时间网格点按照奇偶划分,联合使用古典显格式和隐格式,构造出显隐交替差分格式和隐显交替差分格式。理论分析得出显隐交替差分方法的解是存在唯一的、线性稳定的和线性收敛的。数值试验验证了理论分析,试验显示显隐交替格式与隐显交替格式相较于隐格式节省约23%的计算效率,表明本文方法求解非线性反应-扩散-对流方程是有效的。 展开更多
关键词 非线性反应-扩散-对流方程 显隐交替差分 线性稳定性 线性收敛性 数值试验
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基质酸化过程中的一类数模求解
10
作者 李玉勇 李闽 +1 位作者 吴小庆 江茂泽 《断块油气田》 CAS 2005年第5期55-57,共3页
在基质酸化过程中,经常遇到一类带移动边界条件问题的二维半线性抛物型方程,该类方程的求解对现场施工十分关键,由于带自由移动的边界条件,给求解过程增添了不少难度。文中通过引进时变网格法,转换自由移动边界条件,用有限差分格式将模... 在基质酸化过程中,经常遇到一类带移动边界条件问题的二维半线性抛物型方程,该类方程的求解对现场施工十分关键,由于带自由移动的边界条件,给求解过程增添了不少难度。文中通过引进时变网格法,转换自由移动边界条件,用有限差分格式将模型离散,求得模型的数值解,并作出了解的变化关系曲线,通过曲线变化关系图可以大致确定三次开采过程,即酸化过程中注聚合物溶液要求对时间和地点的控制(什么时候、什么地点是最佳时刻或地方注入聚合物),给现场施工提供了理论指导。同时,可以将该边界变换方法推广到一般的带自由移动边界条件的数学模型。 展开更多
关键词 基质酸化 自由移动边界 时变网格法 半线性抛物型方程 有限差分格式数值解 基质酸化 求解过程 半线性抛物型方程 边界条件 数模 有限差分格式 数学模型 现场施工 聚合物溶液
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基于线性化Navier-Stokes方程二维水槽内单涡到双涡的数值模拟
11
作者 韩红阳 罗志强 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2016年第9期953-968,共16页
建立了Navier-Stokes方程的预估-校正有限差分方法,在此基础上求得了二维水槽内部单涡到双涡的数值解,所得结果与前人的数值结果和解析解吻合很好.数值模拟结果表明,自由振动运动中自由面波高因粘性作用会发生衰减,且Reynolds数越大衰... 建立了Navier-Stokes方程的预估-校正有限差分方法,在此基础上求得了二维水槽内部单涡到双涡的数值解,所得结果与前人的数值结果和解析解吻合很好.数值模拟结果表明,自由振动运动中自由面波高因粘性作用会发生衰减,且Reynolds数越大衰减越缓慢.在短时间内倾斜加速度激励下对于不同Reynolds数会出现一定周期的单涡.经过长时间的倾斜激励,水槽内涡场由单涡变化成双涡,而且只在较低的Reynolds数条件下出现双涡. 展开更多
关键词 线性化Navier-Stokes方程 预估-校正有限差分方法 交错网格 数值模拟
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双曲方程组的二阶预估-校正型迎风差分格式
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作者 沈继红 罗跃生 《哈尔滨理工大学学报》 CAS 1998年第1期77-80,共4页
对一阶线性双曲方程组,利用一阶迎风差分格式与二阶迎风差分隐格式构造了一种预估-校正型迎风差分格式。此格式具有精度高、稳定性好以及计算简便的特性,数值计算的效果是良好的。
关键词 双曲方程组 预估-校正型 迎风差分格式
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