sergio blanes instituto de matemática multidisciplinar universidad politécnica de valencia, spain...

94
Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica y Control Santiago de Compostela, 23-27 Junio 2008 Geometric Integrators: Composition, Splitting and Lie Group Methods

Upload: corey-clarke

Post on 03-Jan-2016

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Sergio Blanes

Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN

Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica y Control

Santiago de Compostela, 23-27 Junio 2008

Geometric Integrators: Composition, Splitting and Lie Group

Methods

Page 2: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

To design numerical methods that share qualitative features of the differential equation

Introduction

Geometric Integration

Dynamical systems are frequently modelled by differential

equations

The models are usually simpler than the real problem

Good models must incorporate the important qualitative properties (conservation of mass, energy, momentum, unitariety, positivity, etc.)

Unfortunately, in general, no analytical solutions are known for models To use numerical methods for differential equations

Page 3: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Standard numerical methods (available at libraries, books, etc.) do not preserve such desired qualitative properties

The numerical solutions can seriously differ from the solutions for the model, and then from the real system

The Geometric Integration intends to incorporate some of the important qualitative properties on the methods

The numerical solutions are frequently

more accurate and reliable.

Hairer, Lubich and Wanner

Page 4: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Many different techniques have been developed in GI for numerically solving differential equations, depending on the structure of f(x,t). For simplicity, let us consider Hamiltonian systems with x=(q,p)

so f(x,t)=J H, where H is the (scalar) Hamiltonian fuction which describes the dynamical system. We have that

with H H and small.

real problem

(estándar method)

(model)

(symplectic method)

Page 5: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Example: Let us consider a Hamiltonian system x = (q , p)T

where is the Hamiltonian fuction. If the system is separable,H = T(p) + V(q) then, for a time step h

Page 6: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The harmonic oscillator:

Euler

sympl. Euler

Page 7: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

h = 1/10

3 3.5 4 4.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

X

Y

Page 8: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

h = 1/10

-6 -4 -2 0 2 4 6-6

-4

-2

0

2

4

6

X

Y

Page 9: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The harmonic oscillator:

Euler

sympl. Euler

Page 10: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The harmonic oscillator:

The symplectic Euler has the invariant

Euler

sympl. Euler

Page 11: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The harmonic oscillator:

The symplectic Euler has the invariant

Euler

It is the exact solution of the perturbed Hamiltonian

sympl. Euler

Page 12: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The Kepler problem

i = 1, 2 where q = (y1, y2)T, p = (y’1, y’2)T

Page 13: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

X

Y

h = 1/10, e=0.6

3 periodos

Page 14: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

X

Y

h = 1/2, e=0.6

15 periodos

Page 15: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

with H H and small.

real problem

(estándar method)

(model)

(symplectic method)

Page 16: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

500 periods and 1500 evaluations per period: h 1/250

Euler

RK2

Example: Kepler Problem

Page 17: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Euler Simpléctico

Euler

RK2

Leapfrog Simpléctico

Example: Kepler Problem

500 periods and 1500 evaluations per period: h 1/250

Page 18: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The Lotka-Volterra equation:

Euler

Splitting

Page 19: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

0 1 2 3 4 5 6 70

1

2

3

4

5

6

X

Y

Page 20: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

0 1 2 3 4 5 6 70

1

2

3

4

5

6

X

Y

h = 1/10

Page 21: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The differential equation x’ = f (x) can be written as

and formal solution

A numerical emthod of order p for a time step h corresponds to a map where

Page 22: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Splitting methods

Autonomous system which can be split in two parts

Let us assume that x = fA(x), x = fB(x) are solvable, with et A and et B their associated flows. It is possible to build a composition method given by

where ai, bi have to satify a system of non-linear equations

. .

Page 23: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Composition Methods

Let xn+1 = h[p]

(xn) a numerical method of order p, where h[p] = h + O(h p+1), with

h the exact solution. It is possible to consider

Such that h[q] = h + O(hq+1 ) and q ≥ p. We have to look for the best set of

coefficients i.

. .

Splitting methods

Autonomous system which can be split in two parts

Let us assume that x = fA(x), x = fB(x) are solvable, with et A and et B their associated flows. It is possible to build a composition method given by

where ai, bi have to satify a system of non-linear equations

Page 24: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Splitting Methods

Page 25: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Higher Orders

The well known fourth-order composition scheme

with

Page 26: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Higher Orders

The well known fourth-order composition scheme

with

Or in general

with

-Creutz-Gocksh(89) -Suzuki(90)-Yoshida(90)

Page 27: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Higher Orders

The well known fourth-order composition scheme

with

Or in general

with

-Creutz-Gocksh(89) Excellent trick!!-Suzuki(90)-Yoshida(90) costly methods with large errors!!

Page 28: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica
Page 29: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10

3- For-Ru(89)

Yos(90),ect.

5-Suz(90)

McL(95)

Page 30: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10

3- For-Ru(89) 7-Yoshida(90)

Yos(90),etc. 9-McL(95)

5-Suz(90) Kahan-Li(97)

McL(95) 11-13-Sof-Spa(05)

Page 31: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10

3- For-Ru(89) 7-Yoshida(90) 15-Yoshida(90)

Yos(90),etc. 9-McL(95) Suz-Um(93)

5-Suz(90) Kahan-Li(97) 15-17-McL(95)

McL(95) 11-13-Sof-Spa(05) Kahan-Li(97)

19-21-Sof-Spa(05)

Page 32: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10

3- For-Ru(89) 7-Yoshida(90) 15-Yoshida(90) 31-Suz-Um(93)

Yos(90),etc. 9-McL(95) Suz-Um(93) 31-33-Ka-Li(97)

5-Suz(90) Kahan-Li(97) 15-17-McL(95) 33-Tsitouras(00)

McL(95) 11-13-Sof-Spa(05) Kahan-Li(97) 31-35-Wanner(02)

19-21-Sof-Spa(05) 31-35-Sof-Spa(05)

Page 33: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10

3- For-Ru(89) 7-Yoshida(90) 15-Yoshida(90) 31-Suz-Um(93)

Yos(90),etc. 9-McL(95) Suz-Um(93) 31-33-Ka-Li(97)

5-Suz(90) Kahan-Li(97) 15-17-McL(95) 33-Tsitouras(00)

McL(95) 11-13-Sof-Spa(05) Kahan-Li(97) 31-35-Wanner(02)

19-21-Sof-Spa(05) 31-35-Sof-Spa(05)

Processed

P3-17-McL(02) P5-15 P9-19 P15-25

B-Casas-Murua(06)

Page 34: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The Processing Technique

Let us consider N steps with the second order method Störmer/Verlet/leapfrog

A small modification at the beginning and at the end of the integration can transform a first order method into a second order one. The generalization corresponds to

where h,K is the kernel and h is the processor.

This technique can be used in tandem with the previous ones in order to improve the efficiency of the numerical methods.

Page 35: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Let us consider the following first order method for a system separable in N parts

Adjoint Method. Given h, its adjoint is defined as h* = (-h)-1. Then,

By symmetrization we obtain a second order method

This is a generalización del método Störmer/Verlet/leap-frog/Strang splitting.

Page 36: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica
Page 37: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 3 4 6 8

3- Ru(84) 3-Ru-Yos,etc 9-Forest(91) 27- ??

4,5-McL(95) 10-B-Moan(02)

6-B-Moan(02)

Processed

P2-7 P5-10 P14- ??

B-Casas-Murua(06)

Page 38: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider the linear time dependent SE

Which is also separable in its kinetic and potential parts. The solution of the discretised equation is given by

where c = (c1,…, cN)T N and H = T + V N×N Hermitian matrix.

It is easy to see that

Page 39: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica
Page 40: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 5 6 8

3S-Ru-Yos,etc 5NABA-Oku-Seel(94) 7SABA-For(91) 16SABA/BAB-?

4NAB-McL-At(92) 6NAB-McL-At(92) Oku-Skeel(94) 17SABA-Ok-Lu(94)

4NBAB-Cal-SS(93) 6NBAB-Chou-Sha(99) 7SBAB-For(91) 24SS-Ca-SS(93)

4,5SABA-McL(95) 8-15SABA/BAB

5SBAB-B-Moan(01) 11,14SBAB-B-M(02)

6SABA/BAB-B-Moan(02)

Processed

P3,4 P4-7 P9-11 B-Casas-Ros(01)

Page 41: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider again the linear time dependent SE

Which is also separable in its kinetic and potential parts. The solution of the discretised equation is given by

where c = (c1,…, cN)T N and H = T + V N×N Hermitian matrix.

Page 42: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider then

Hamiltonian system:

with formal solution

It is an orthogonal and symplectic operator.

Page 43: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider then

Hamiltonian system:

with formal solution

It is an orthogonal and symplectic operator.

Notice that

Page 44: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider the time dependent Maxwell Equations

electric & magnetic field vectors permeability and permitivity

Using dimensionless equations and a faithful spatial representation of E and B we have the discrete form

We can use splitting methods, i.e. Lie-Trotter/symplectic-Euler

Page 45: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica
Page 46: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10 12

4,6 6 8 10 12

Gray-Manolopoulos(96)

Processed

P3,4 P3,4 P4-5 McL-Gray(97)

Page 47: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Order 4 6 8 10 12

4,6 6 8 10 12

Gray-Manolopoulos(96)

Processed

P3,4 P3,4 P4-5 McL-Gray(97)

P2-40 orders: 2-20 B-Casas-Murua(06)

Page 48: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Performance of a Method

versusError Computational Cost

Page 49: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider the linear time dependent SE

We have the discrete form

Consider then

Hamiltonian system:

with formal solution

Page 50: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Problem to Solve: To build splitting methods for the harmonic oscillator!!!

Exact solution (ortogonal and symplectic)

Let us consider the composition

Notice that

Page 51: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

100 periods with initial conditions (q,p)=(1,1)

Example: Harmonic oscillator

2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LOG(EVAL)

LOG

(ER

RO

R)

Page 52: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

100 periods with initial conditions (q,p)=(1,1)

Example: Harmonic oscillator

2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LOG(EVAL)

LOG

(ER

RO

R)

Page 53: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

100 periods with initial conditions (q,p)=(1,1)

Example: Harmonic oscillator

2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LOG(EVAL)

LOG

(ER

RO

R)

Page 54: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

100 periods with initial conditions (q,p)=(1,1)

Example: Harmonic oscillator

2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LOG(EVAL)

LOG

(ER

RO

R)

Page 55: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Schrödinger equation with a Morse potential

with

Initial conditions

Page 56: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Gaussian wave fuction in a Morse potential

Page 57: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Gaussian wave fuction in a Morse potential

4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LOG(N. FFTs)

LO

G(E

RR

. NO

RM

)S

2

S34

S17

8

GM44

GM88

GM12

12

Page 58: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Gaussian wave fuction in a Morse potential

4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LOG(N. FFTs)

LO

G(E

RR

. NO

RM

)S

2

S34

S17

8

GM44

GM88

GM12

12P

382

Page 59: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider , then write the solution as and look for

the DE for . To preserve the Lie algebra structure is easier than the Lie group.

We get an approximation in the Lie algebra and then

Lie Group Methods

X

In some cases it is convenient to write the differential equation in matrix form, e.g.

If and then the solution remains in the group.

Page 60: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Some families of methods

Runge-Kutta-Munthe-Kaas methods

Canonical coordinates of the second kind

Exponential integrators

etc.

Some other equations

Isospectral flows:

Equation on a sphere

Page 61: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Linear non-autonomous systems

with A(t) d×d

Page 62: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica
Page 63: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The Magnus expansion

where

Convergence condition:

Page 64: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Le us consider the Taylor expansio of A(t) about t1/2=t0+h/ 2 (to preserve time-symmetry)

with

If we take bi ai-1 hi, i = 1, 2, 3, then

b1, b2, b3 generators of a gradded Lie algebra with grades 1, 2, 3. All multidimensional integrals can be approximatted by using quadrature rules for unidimensional integrals (Iserles y Norsett).

Page 65: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

These results can also be obtained by using the following unidimensional momentum integrals

These integrals are releted with the elements of the gradded Lie algebra bi and can be either evaluated analytically or numerically. A 4th-order method is

Higher order methods with a moderate number of commutators also exist.

Page 66: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Commutator-free Magnus integrators

For many problem it is simpler to compute

exp(A(ti)) than exp([A(ti), A(tj)])

To look for variants of the Magnus expansion without commutatos.

Some 4th-order commutator-free Magnus integrators are

They preserve time-symmetry and have shown good performance on a number of examples.

Page 67: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Example: The skew-symmetric matrix (N=10)

Page 68: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Example: The Mathieu equation

in. conds.T

Page 69: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

E. Hairer, C. Lubich, and G. Wanner, Geometric Numerical Integration. Structure-Preserving Algorithms for Ordinary Differential Equations, Springer-Verlag, (2006).

A. Iserles, H.Z. Munthe-Kaas, S.P. Nörsett and A. Zanna, Lie group methods, Acta Numerica, 9 (2000), 215-365.

B. Leimkuhler and S. Reich, Simulating Hamiltonian Dynamics, Cambridge University Press, (2004).

R.I. McLachlan and R. Quispel,Splitting methods, Acta Numerica, 11 (2002), 341-434.

Basic References

Page 70: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

To build efficient geometric integrators require to analyse in some detail the algebraic structure of the problem:

Linear ― Non Linear Autonomous ― Non autonomous Separable ― Non Separable If Separable: near-Integrable, Quadratic Kinetic Energy Evolution on Different Time Scales

Page 71: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

To build efficient geometric integrators require to analyse in some detail the algebraic structure of the problem:

Linear ― Non Linear Autonomous ― Non autonomous Separable ― Non Separable If Separable: near-Integrable, Quadratic Kinetic Energy Evolution on Different Time Scales

Integración Geométrica

Sistemas Autónomos Sistemas No Autónomos

PasoVariable

ExtrapolaciónSplitting y

ComposiciónSistemas

No LinealesSistemasLineales

ConProcesado

Sin Procesado

SistemasSeparables

Desarrollode Magnus

Desarrollode Fer

Page 72: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Sergio Blanes

Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN

Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica y Control

Santiago de Compostela, 23-27 Junio 2008

Geometric Integrators: Composition, Splitting and Lie Group

Methods

Page 73: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Conclusions

Splitting methods are powerful methods for many problems

ConclusionsConclusions

Page 74: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Conclusions

Splitting methods are powerful methods for many problems

But if using appropriate methods for each problem

ConclusionsConclusions

Page 75: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Conclusions

Splitting methods are powerful methods for many problems

But if using appropriate methods for each problem

Alternatively, we can build methods tailored for particular problems

ConclusionsConclusions

Page 76: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Splitting MethodsSplitting Methods

Page 77: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Splitting MethodsSplitting Methods

Order 3 4 6 8

2NAB-Ruth(84) 2SBAB-Koseleff(93) 4,5S-O-M-F(02) 11S-O-M-F(02)

Chin(97)

Mik-Pu(99)

4SBAB-Su(95)

3,4S-Chin(02)/O-M-F(02)

Processed

P1-Rowlands(91) P3-B-Ca-Ros(01) P5-B-Ca-Ros(01)

Wis-Ho-To(96)

B-Casas-Ros(99)

P2-LM-SS-Skeel(97)

Page 78: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Splitting MethodsSplitting Methods

Page 79: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Splitting MethodsSplitting Methods

Order (n,2) (n,4) (n,5)

Ki-Yo-Na(91) 4(6,4)BAB

1(2,2)- Wis-Hol(91) 5(8,4) ABA/BAB

n(2n,2), n=2,...,5 ABA/BAB McLachlan (95)

Processed

P1(32,2)-W-H-T(96) P3(7,6,4)ABA-BCR(00)

RKN-Methods P2(6,4)AB P3(7,6,5)AB

Mod. Pot P1(6,4)ABA P2(7,6,5)AB B-Casas-Ros(00)

Pn(2n,4)–Lask-Ro(01)

Page 80: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Introducción y PreliminaresMétodos de Splitting y Composición para sistemas separablesMétodo adjuntoSistemas separables en dos partesMétodos de órdenes superiores

Familias de métodos

Técnica de Composición con ProcesadoÁlgebras de Lie GraduadasCondiciones de ordenAhorro computacional de la Técnica del ProcesadoConstrucción de NúcleosConstrucción de Procesadores

Técnica de Extrapolación

Ejemplos NuméricosEjemplo 1: El problema de Lotka-VolterraEjemplo 2: El problema del flujo-ABCEjemplo 3: El problema de Kepler

Conclusiones y Líneas de Trabajo

Incremento del Orden de Integradores para EDOs utilizando Extrapolación y Composición con

Procesado

Page 81: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

To design numerical methods that share qualitative features of the differential equation

Introduction

La mayoría de los modelos que describen los procesos dinámicos de la naturaleza vienen dados por ecuaciones diferenciales. La solución analítica suele ser desconocida y los métodos numéricos son indispensables.

estructuras y simetrías propiedades cualitativas

Los métodos numéricos tradicionales no suelen respetar estas propiedades, haciéndolos poco eficientes en muchos casos.

La Integración Geométrica (IG) es un área reciente de la Matemática Aplicada donde estas propiedades son tenidas en cuenta.

Historial Investigador Historial Investigador

Geometric Integration

Page 82: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Desarrollo de Fer

with Fn(t) and An(t) given by

Líneas de Investigación Líneas de Investigación

Page 83: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Non-autonomous systemsLinear System Let us consider the linear equation

with A(t) d×d, and x (t)=t x0 denotes its solution. If A g (Lie algebra)

G (associated Lie group).

Líneas de Investigación Líneas de Investigación

Page 84: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Non-autonomous systemsLinear System Let us consider the linear equation

with A(t) d×d, and x (t)=t x0 denotes its solution. If A g (Lie algebra)

G (associated Lie group).

Aproximations:Magnus expansion

with

Líneas de Investigación Líneas de Investigación

Page 85: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The Magnus series presents a better structure to build numerical methods. Le us consider the Taylor expansio of A(t) about t1/2 = t0 + h/ 2 (to preserve time-symmetry)

with

If we take bi ai-1 hi, i = 1, 2, 3, then

b1, b2, b3 can be considered as generators of a gradded Lie algebra with grades 1, 2, 3. All the multidimensional integrals can be approximatted by using quadrature rules for unidimensional integrals (Iserles y Norsett).

Líneas de Investigación Líneas de Investigación

Page 86: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

These results can also be obtained by using the following unidimensional momentum integrals (for a sixth-order method)

These integrals are releted with the elements of the gradded Lie algebra bi and can be either evaluated analytically or numerically. A 4th-order method is

Higher order methods with a moderate number of commutators also exist.

Líneas de Investigación Líneas de Investigación

Page 87: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Commutator-free Magnus integrators

In many problem, the structure of the matrix A(t) is relatively simple while the matrices obtained from the commutators can be rather involved it is simpler to evaluate the exponential of A(ti) but the exponential of [ A(ti), A(tj) ] can be very costly. It seems convenients to look for variants of the Magnus expansion which do not involve commutatos.

Ejemplo: La ecuación de Schrödinger (con FFTs).

Some 4th-order commutator-free Magnus integrators are

They preserve time-symmetry and have shown good performance on a number of examples.

Líneas de Investigación Líneas de Investigación

Page 88: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider the Strang-splitting or leap-frog second order method

Notice that

the exponentials are computed only once and are stored at the beginning. Similarly, for the kinetic part we have

Page 89: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider the Strang-splitting or leap-frog second order method

Notice that

the exponentials are computed only once and are stored at the beginning. Similarly, for the kinetic part we have

Page 90: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Considering that we have

Then it is easy to see that with

and we can use Nyström methods

Page 91: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider now the one-dimensional cubic NLES

We solve: in the coordinate space and

in the momentum space

Periodic boundary conditions are assumed and FFTs are used to carry out the coordinate transforms. Observe that

where

Page 92: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Consider the linear system of ODEs (or semidiscretized PDEs)

Let us define z = (q,p)T , then

The first order splitting method is given by

Higher order splitting methods can be obtained as follows

with chosen such that

However, our problem has a very particular structure

Page 93: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

Linear non-autonomous systemsLinear System Let us consider the linear equation

with A(t) d×d, and x (t)=t x0 denotes its solution. If A g (Lie algebra)

G (associated Lie group).

Page 94: Sergio Blanes Instituto de Matemática Multidisciplinar Universidad Politécnica de Valencia, SPAIN Primer Encuentro Iberoamericano de Geometría, Mecánica

The Magnus series presents a better structure to build numerical methods.