Error Estimates of Some Splitting Schemes for Charged-Particle Dynamics under Strong Magnetic Field

磁场 数学 缩放比例 傅里叶级数 领域(数学) 傅里叶变换 带电粒子 数学分析 物理 几何学 量子力学 离子 纯数学
作者
Bin Wang,Xiaofei Zhao
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:59 (4): 2075-2105 被引量:28
标识
DOI:10.1137/20m1340101
摘要

In this work, we consider the error estimates of some splitting schemes for the charged-particle dynamics under a strong magnetic field. We first propose a novel energy-preserving splitting scheme with computational cost per step independent of the strength of the magnetic field. Then under the maximal ordering scaling case, we establish for the scheme and in fact for a class of Lie--Trotter-type splitting schemes a uniform (in the strength of the magnetic field) and optimal error bound in the position and in the velocity parallel to the magnetic field. For the general strong magnetic field case, the modulated Fourier expansions of the exact and the numerical solutions are constructed to obtain a favorable dependence of the error on the strength of the magnetic field. Numerical experiments are presented to illustrate the error and energy behavior of the splitting schemes.

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