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Structure-Preserving SAV-RK$s$ Spectral Methods for Nonlinear Hamiltonian System

辛几何 非线性系统 数学 哈密顿系统 哈密顿量(控制论) 应用数学 稳健性(进化) 有界函数 代数数 光谱法 平衡流 超可积哈密顿系统 数值分析 标量(数学) 哈密顿力学 消散 多项式的 数学分析 功率流 辛积分器 迭代法 上下界 耗散系统 代数方程
作者
Jie Shen,Xue Li,Qifeng Zhang
出处
期刊:Communications in Computational Physics [Cambridge University Press]
卷期号:39 (3): 661-695
标识
DOI:10.4208/cicp.oa-2025-0108
摘要

It is well-established that high-order symplectic Runge–Kutta methods cannot preserve polynomial energy of Hamiltonian systems beyond degree two. However, the scalar auxiliary variable (SAV) approach, which was originally proposed for gradient flow systems, offers an effective strategy to overcome this limitation, albeit with a modified energy. In this paper, we study high-order Runge–Kutta methods for solving general Hamiltonian systems without imposing a lower bound on the high-order part of the energy functional. By integrating a symplectic Runge–Kutta method with a new SAV strategy, we develop a class of high-order nonlinear structurepreserving s-stage Runge–Kutta SAV (SAV-RK$s$) spectral methods, and prove that the nonlinear semi-discrete scheme can preserve the Hamiltonian energy and other conservative quantities such as mass/momentum (if they exist). In addition, we design a tailored fast Newton iteration algorithm to efficiently solve the resulting nonlinear algebraic system. Finally, we carry out extensive numerical simulations on several benchmark problems, including cases where the energy functional is either bounded or unbounded, to validate the accuracy and robustness of the proposed algorithms.

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