“则对足够光滑的 canonical Hamilton 系统,该一步映射的微分保持辛配对,因而在每点附近给出辛映射。阶段方程的相应 Jacobian 非奇异时,可由隐函数定理取得所需光滑解支;…”
形式陈述
相空间映射保持什么结构,才称为保辛?按
上述
这表示任意两条微小扰动方向的辛配对都被保持。线性映射
在精确流存在的区域,若
直觉
辛结构记录的是位置与动量方向之间的定向面积配对。在二维相空间中,它就是定向面积;高维中还记录不同共轭方向如何配对,比只记录总体体积更细。
可以把保体积想成一个多维盒子的总体大小不变,而保辛还限制了盒子沿位置—动量配对方向的变形。数值积分器保辛,是让离散一步尊重这项几何结构。
例子与边界
一个保辛剪切
一自由度映射
体积保持何时不够
二维矩阵恒满足
它的行列式为一,却把
对可复合的两个辛映射,链式法则给出
推论与应用
检查数值映射时,可计算
辛 Euler和适当的隐式 Runge–Kutta 方法能保持辛结构;长期能量行为还需要步长、光滑度和有界轨迹条件,由后向误差分析解释。
参考资料
- Hairer, Lubich and Wanner, Geometric Numerical Integration, 2nd ed., Springer, 2006, Chapter VI,辛变换与数值方法。
- Ernst Hairer, Geometric Numerical Integration lecture introduction, 2009,Hamilton 结构与辛积分的学习入口。