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An Adaptive Time-Step Backward Differentiation Algorithm to Solve Stiff Ordinary Differential Equations: Application to Solve Activated Sludge Models 被引量:2
1
作者 Jamal Alikhani Bahareh Shoghli +1 位作者 Ujjal Kumar Bhowmik Arash Massoudieh 《American Journal of Computational Mathematics》 2016年第4期298-312,共15页
A backward differentiation formula (BDF) has been shown to be an effective way to solve a system of ordinary differential equations (ODEs) that have some degree of stiffness. However, sometimes, due to high-frequency ... A backward differentiation formula (BDF) has been shown to be an effective way to solve a system of ordinary differential equations (ODEs) that have some degree of stiffness. However, sometimes, due to high-frequency variations in the external time series of boundary conditions, a small time-step is required to solve the ODE system throughout the entire simulation period, which can lead to a high computational cost, slower response, and need for more memory resources. One possible strategy to overcome this problem is to dynamically adjust the time-step with respect to the system’s stiffness. Therefore, small time-steps can be applied when needed, and larger time-steps can be used when allowable. This paper presents a new algorithm for adjusting the dynamic time-step based on a BDF discretization method. The parameters used to dynamically adjust the size of the time-step can be optimally specified to result in a minimum computation time and reasonable accuracy for a particular case of ODEs. The proposed algorithm was applied to solve the system of ODEs obtained from an activated sludge model (ASM) for biological wastewater treatment processes. The algorithm was tested for various solver parameters, and the optimum set of three adjustable parameters that represented minimum computation time was identified. In addition, the accuracy of the algorithm was evaluated for various sets of solver parameters. 展开更多
关键词 Adaptive Time-Step backward differentiation Formula Activated Sludge Model Ordinary differential Equation stiffness Computation Time
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A ONE-STEP EXPLICIT FORMULA FOR THE NUMERICAL SOLUTION OF STIFF ORDINARY DIFFERENTIAL EQUATION
2
作者 吴新元 夏建林 《Numerical Mathematics A Journal of Chinese Universities(English Series)》 SCIE 1999年第1期53-58,共6页
In this paper, a new one-step explicit method of fourth order is derived. The new method is proved to be A-stable and L-stable, and it gives exact results when applied to the test equation y’=λy with Re(λ)【0, Also... In this paper, a new one-step explicit method of fourth order is derived. The new method is proved to be A-stable and L-stable, and it gives exact results when applied to the test equation y’=λy with Re(λ)【0, Also several numerical examples are included. 展开更多
关键词 stiff EQUATION numerical stability numerical solutions of ordinary differential EQUATION numerical analysis.
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MODIFIED PARALLEL ROSENBROCK METHODS FOR STIFF DIFFERENTIAL EQUATIONS 被引量:2
3
作者 Xue-nian Cao Shou-fu Li De-gui Liu 《Journal of Computational Mathematics》 SCIE EI CSCD 2002年第1期23-34,共12页
Presents a class of modified parallel Rosenbrock methods (MPROW) which possesses more free parameters to improve further the various properties of the methods and will be similarly written as MPROW. Information on par... Presents a class of modified parallel Rosenbrock methods (MPROW) which possesses more free parameters to improve further the various properties of the methods and will be similarly written as MPROW. Information on parallel Rosenbrock methods; Convergence and stability analysis; Discussion on two-stage third-order methods. 展开更多
关键词 numerical analysis stiff ordinary differential equations Rosenbrock methods parallel algorithms
全文增补中
降阶向后微分公式 被引量:3
4
作者 李寿佛 苏凯 李林海 《湘潭大学自然科学学报》 CAS CSCD 1997年第4期1-4,共4页
在较全面分析向后微分公式优缺点的基础上提出了于线性多步法范围内改进向后微分公式的新方案,进而构造了降阶向后微分公式.降阶向后微分公式除误差系数略大,且需要多存贮一个函数值外,其余性能全面优于同阶的向后微分公式.
关键词 数值分析 刚性微分方程 向后微分公式 初值问题
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刚性Volterra泛函微分方程算法理论及高效算法 被引量:13
5
作者 李寿佛 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第3期581-586,共6页
首先介绍刚性 Volterra 泛函微分方程的稳定性理论及其数值方法的 B 理论。这项工作为刚性延迟微分方程、刚性积分微分方程以及其它各种类型的刚性泛函微分方程的研究提供了统一的理论基础。其次以该理论为指针推荐高效算法,其中包括向... 首先介绍刚性 Volterra 泛函微分方程的稳定性理论及其数值方法的 B 理论。这项工作为刚性延迟微分方程、刚性积分微分方程以及其它各种类型的刚性泛函微分方程的研究提供了统一的理论基础。其次以该理论为指针推荐高效算法,其中包括向后 Euler 方法、二阶 BDF 方法、并行多值混合方法及实特征值多步 Runge-Kutta 法。 展开更多
关键词 数值分析 刚性泛函微分方程 Runge.Kutta法 一般线性方法 B-理论
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改进的向后微分公式 被引量:2
6
作者 苏凯 李寿佛 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第2期504-507,共4页
采用增加方法步数的办法构造了两类求解刚性微分方程的改进的向后微分公式IBDF1及IBDF2。理论分析和数值试验表明,这两类新方法在较大地改善了BDF的稳定性的同时保持了BDF原有的主要优点。
关键词 刚性常微分方程 改进的BDF 数值分析 稳定区域 模式搜索法
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《高等数值分析》教学案例的建设与思考 被引量:8
7
作者 唐玲艳 宋松和 《大学数学》 2015年第1期42-47,共6页
《高等数值分析》是一门与实际联系紧密的数学公共课程,它理论深刻,应用广泛.本文结合实际应用,为《高等数值分析》中常微分方程数值解部分设计了一个教学案例,通过理论分析和数值实验向学生展示了刚性问题的概念和相关数值方法,并对《... 《高等数值分析》是一门与实际联系紧密的数学公共课程,它理论深刻,应用广泛.本文结合实际应用,为《高等数值分析》中常微分方程数值解部分设计了一个教学案例,通过理论分析和数值实验向学生展示了刚性问题的概念和相关数值方法,并对《高等数值分析》课程教学案例的设计进行了思考. 展开更多
关键词 高等数值分析 教学案例 常微分方程数值解 刚性稳定
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混合方法的代数稳定性
8
作者 赵双锁 丛玉豪 《兰州大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 1993年第1期13-18,共6页
本文在把外向量定义成与函数 f(y)无关的向量的情况下,导出了一步混合法代数稳定的充要条件.据此,给出了所有一步二阶代数稳定公式和唯一的一步三阶代数稳定公式.在同一情况下,本文还证明,任一零稳定的二步四阶混合法都不是代数稳定的.... 本文在把外向量定义成与函数 f(y)无关的向量的情况下,导出了一步混合法代数稳定的充要条件.据此,给出了所有一步二阶代数稳定公式和唯一的一步三阶代数稳定公式.在同一情况下,本文还证明,任一零稳定的二步四阶混合法都不是代数稳定的.这表明,把外向量定义成与函数 f(y)无关的向量,对于研究多步混合方法的代数稳定性来说是不适当的. 展开更多
关键词 常微分方程 混合法 代数 稳定性
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解常微分方程组初值问题一步混合方法的代数稳定性
9
作者 丛玉豪 黄清龙 《兰州大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 1994年第4期23-28,共6页
本文在各种合理的内向量不同选取下,讨论了一步混合方法的代数稳定性,导出了一步混合方法代数稳定的充要条件。据此,得到了一系列结论。最后,给出了若干一步二阶、三阶代数稳定的混合方法公式。
关键词 常微分方程 混合方法 代数稳定性 初值问题
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直梁式回转桁架结构的振动分析与试验
10
作者 孙中兴 唐力伟 +2 位作者 王志凇 周杰 赵志宁 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2014年第3期326-331,共6页
以某兵器发射塔架摆杆系统中的水平杆为研究背景进行直梁式回转桁架结构的相关研究。首先利用刚度等效原理和质量等效原理将该桁架结构简化为绕定轴转动的连续的简单悬臂梁模型,继而通过假定模态法,数值分析等方式导出考虑结构阻尼时该... 以某兵器发射塔架摆杆系统中的水平杆为研究背景进行直梁式回转桁架结构的相关研究。首先利用刚度等效原理和质量等效原理将该桁架结构简化为绕定轴转动的连续的简单悬臂梁模型,继而通过假定模态法,数值分析等方式导出考虑结构阻尼时该结构的振动微分方程。将通过该方法所得的结果与试验结果进行了比较,结果表明运用本文的方法进行桁架结构的振动分析可取得较好的效果。 展开更多
关键词 桁架结构 刚度等效原理 质量等效原理 连续化 结构阻尼 振动微分方程
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应用Taylor公式分析常微分方程初值问题数值求解公式的精度 被引量:1
11
作者 谢焕田 《高师理科学刊》 2011年第1期9-11,共3页
应用Taylor公式对常微分方程初值问题的数值求解方法进行精度分析,针对3种不同形式的精度分析问题给出详尽的求解思路和方法,从而加深理解Taylor公式在常微分方程数值方法中的应用.
关键词 TAYLOR公式 常微分方程数值方法 初值问题 精度分析
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一种内向量选取下求解常微分方程组初值问题二步混合方法的代数稳定性
12
作者 丛玉豪 《兰州大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 1995年第2期26-32,共7页
同一混合方法,在内向量的不同选取下,定义了不同的一般线性方法,因而它的代数稳定性是与内向量选取有关的。本文在把外向量定义成与函数f(y)有关的向量情况下,讨论了二步混合方法的代数稳定性,证明了任一二步四阶零稳定混合方... 同一混合方法,在内向量的不同选取下,定义了不同的一般线性方法,因而它的代数稳定性是与内向量选取有关的。本文在把外向量定义成与函数f(y)有关的向量情况下,讨论了二步混合方法的代数稳定性,证明了任一二步四阶零稳定混合方法都不是代数稳定的。最后,作为例子,讨论了一步方法中的几个特殊方法。 展开更多
关键词 常微分方程 混合方法 代数稳定性 初值问题
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一种改进的基于深度神经网络的偏微分方程求解方法 被引量:4
13
作者 陈新海 刘杰 +1 位作者 万仟 龚春叶 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2022年第11期1932-1940,共9页
偏微分方程求解是计算流体力学等科学与工程领域中数值分析的计算核心。由于物理的多尺度特性和对离散网格质量的敏感性,传统的数值求解方法通常包含复杂的人机交互和昂贵的网格剖分开销,限制了其在许多实时模拟和优化设计问题上的应用... 偏微分方程求解是计算流体力学等科学与工程领域中数值分析的计算核心。由于物理的多尺度特性和对离散网格质量的敏感性,传统的数值求解方法通常包含复杂的人机交互和昂贵的网格剖分开销,限制了其在许多实时模拟和优化设计问题上的应用效率。提出了一种改进的基于深度神经网络的偏微分方程求解方法TaylorPINN。该方法利用深度神经网络的万能逼近定理和泰勒公式的函数拟合能力,实现了无网格的数值求解过程。在Helmholtz、Klein-Gordon和Navier-Stokes方程上的数值实验结果表明,TaylorPINN能够很好地拟合计算域内时空点坐标与待求函数值之间的映射关系,并提供了准确的数值预测结果。与常用的基于物理信息神经网络方法相比,对于不同的数值问题,TaylorPINN将预测精度提升了3~20倍。 展开更多
关键词 偏微分方程 数值分析 神经网络 泰勒公式 无网格
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一类组合两步连续RK-Rosenbrock方法
14
作者 冷欣 刘德贵 +1 位作者 宋晓秋 陈丽容 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第17期3945-3948,共4页
对于一个大的刚性延迟微分方程系统,除了延迟分量给予系统影响外,还常常会出现系统的解分量有的变化很快,而有的变化很慢的情况。此时,可以把大的刚性延迟微分方程系统分解成为两个耦合的子系统,一个是描述系统快变部分的刚性延迟子系统... 对于一个大的刚性延迟微分方程系统,除了延迟分量给予系统影响外,还常常会出现系统的解分量有的变化很快,而有的变化很慢的情况。此时,可以把大的刚性延迟微分方程系统分解成为两个耦合的子系统,一个是描述系统快变部分的刚性延迟子系统,另一个是描述系统慢变部分的非刚性延迟子系统。对于分解的刚性延迟微分方程大系统,构造了一类用于求解刚性延迟微分方程的组合两步连续RK-Rosenbrock方法,讨论了方法的构造,方法的阶条件,证明了方法的收敛性,分析了方法的稳定性,数值试验表明方法是有效的。 展开更多
关键词 刚性延迟微分方程 两步连续RK-Rosenbrock方法 数值稳定性分析 收敛性
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一类含二阶导数的数值公式
15
作者 曾令淮 《四川师范大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 1995年第1期12-21,共10页
本文提出了一类含二阶导数的适合于求解刚性常微分方程初值问题的数值公式。讨论了这类公式的收敛性和稳定性,得到了相应的收敛性及稳定性定理。并构造了一个单步三阶L稳定的数值公式和一个两步四阶A(70°)稳定的数值公式.
关键词 常微分方程 数值公式 初值问题
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A Third Order Accurate in Time,BDF-Type Energy Stable Scheme for the Cahn-Hilliard Equation
16
作者 Kelong Cheng Cheng Wang +1 位作者 Steven M.Wise Yanmei Wu 《Numerical Mathematics(Theory,Methods and Applications)》 SCIE CSCD 2022年第2期279-303,共25页
In this paper we propose and analyze a backward differentiation formula(BDF)type numerical scheme for the Cahn-Hilliard equation with third order temporal accuracy.The Fourier pseudo-spectral method is used to discret... In this paper we propose and analyze a backward differentiation formula(BDF)type numerical scheme for the Cahn-Hilliard equation with third order temporal accuracy.The Fourier pseudo-spectral method is used to discretize space.The surface diffusion and the nonlinear chemical potential terms are treated implicitly,while the expansive term is approximated by a third order explicit extrapolation formula for the sake of solvability.In addition,a third order accurate Douglas-Dupont regularization term,in the form of−A_(0)△t^(2)△_( N)(φ^(n+1)−φ^(n)),is added in the numerical scheme.In particular,the energy stability is carefully derived in a modified version,so that a uniform bound for the original energy functional is available,and a theoretical justification of the coefficient A becomes available.As a result of this energy stability analysis,a uniform-in-time L_(N)^(6)bound of the numerical solution is obtained.And also,the optimal rate convergence analysis and error estimate are provided,in the L_(△t)^(∞)(0,T;L_(N)^(2))∩L^(2)_(△ t)(0,T;H_(h)^(2))norm,with the help of the L_(N)^(6)bound for the numerical solution.A few numerical simulation results are presented to demonstrate the efficiency of the numerical scheme and the third order convergence. 展开更多
关键词 Cahn-Hilliard equation third order backward differentiation formula unique solvability energy stability discrete L6 N estimate optimal rate convergence analysis
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