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数学 > 数值分析

arXiv:2504.06371v2 (math)
[提交于 2025年4月8日 (v1) ,最后修订 2025年4月13日 (此版本, v2)]

标题: 基于稳定多速率显式格式的奇异摄动系统高效仿真

标题: Efficient Simulation of Singularly Perturbed Systems Using a Stabilized Multirate Explicit Scheme

Authors:Yibo Shi, Cristian R. Rojas
摘要: 奇异摄动系统(SPSs)在工程应用中很常见,但由于多个时间尺度引起的刚性问题,数值求解其初值问题(IVPs)具有挑战性。 经典显式方法为了稳定性需要不切实际的小时间步长,而为SPS开发的隐式方法计算成本高且对于强非线性系统效率较低。 本文介绍了一种稳定化的多速率显式方案(SMES),该方案在不需要小时间步长或隐式公式的情况下稳定了经典显式方法。 通过采用带可变时间步长的多速率方法,SMES允许快速动态迅速收敛到其平衡流形,同时慢动态以更大的步长演化。 分析表明,SMES以显著减少的计算努力和受控误差实现了数值稳定性。 其有效性通过一个数值例子得到说明。
摘要: Singularly perturbed systems (SPSs) are prevalent in engineering applications, where numerically solving their initial value problems (IVPs) is challenging due to stiffness arising from multiple time scales. Classical explicit methods require impractically small time steps for stability, while implicit methods developed for SPSs are computationally intensive and less efficient for strongly nonlinear systems. This paper introduces a Stabilized Multirate Explicit Scheme (SMES) that stabilizes classical explicit methods without the need for small time steps or implicit formulations. By employing a multirate approach with variable time steps, SMES allows the fast dynamics to rapidly converge to their equilibrium manifold while slow dynamics evolve with larger steps. Analysis shows that SMES achieves numerical stability with significantly reduced computational effort and controlled error. Its effectiveness is illustrated with a numerical example.
评论: 已被ECC 2025接受
主题: 数值分析 (math.NA) ; 系统与控制 (eess.SY)
引用方式: arXiv:2504.06371 [math.NA]
  (或者 arXiv:2504.06371v2 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.06371
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Yibo Shi [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 4 月 8 日 18:40:53 UTC (1,504 KB)
[v2] 星期日, 2025 年 4 月 13 日 19:39:57 UTC (1,507 KB)
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