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方法Method

变分积分器

Variational integrator

先离散作用量再取驻点,推导离散 Euler–Lagrange 更新、正则动量映射和对称性守恒。

形式陈述 ​

能否先离散作用量,再由驻点条件导出更新,而不直接离散运动方程?以下在构形的实局部坐标 q∈U⊆Rd 中取光滑的 L 与 Ld,并固定非零步长 h。设 Lagrangian 为 L(q,q˙),连续运动对应其 Euler–Lagrange 方程。离散 Lagrangian Ld(qk,qk+1;h) 近似一小段作用量,定义

Sd=∑k=0N−1Ld(qk,qk+1;h).

记 DiLd 为对第 i 个端点的多元导数。固定两个端点,对内部 qk 求变分,每个 qk 只出现在相邻两项中,得到离散 Euler–Lagrange 方程

D2Ld(qk−1,qk)+D1Ld(qk,qk+1)=0.

若混合导数 D12Ld 非奇异,隐函数定理可在所选解附近局部解出下一点。定义离散动量 pk=−D1Ld(qk,qk+1)、pk+1=D2Ld(qk,qk+1),得到相空间的一步映射。

直觉

每段离散轨道贡献一个作用量。内部节点的微小移动同时改变左段和右段;驻点要求两侧端点动量刚好接上。动力学更新因此来自一项全局变分原则的局部一致性。

对单段有 dLd=−pkdqk+pk+1dqk+1。再取一次外微分,d2Ld=0 给出端点辛二形式一致,从而解释正则离散 Legendre 变换下的局部保辛映射。这里需要非退化条件把关系真正变成局部映射。

例子与边界

最简单的机械离散作用量 ​

取 L(q,q˙)=q˙2/2−V(q),用

Ld(q,Q)=(Q−q)22h−hV(q).

离散 Euler–Lagrange 方程给出

qk+1−2qk+qk−1=−h2V′(qk).

定义上述离散动量后,有 pk=(Q−q)/h+hV′(q)、pk+1=(Q−q)/h,即

pk+1=pk−hV′(qk),qk+1=qk+hpk+1.

这正是先动量后位置的辛 Euler。二阶位置差分的外观并不意味着这套端点相空间变量自动获得二阶一步精度;离散 Lagrangian 的求积选择及动量定义共同决定方法阶数。

若 V 对平移不变,Ld(q+a,Q+a)=Ld(q,Q)。对 a 求导得 D1Ld+D2Ld=0,所以 pk+1=pk,给出离散平移动量守恒。更一般对称性也产生相应离散动量守恒律。

推论与应用

构造流程是选择作用量近似、求两端导数、检查混合导数可逆性、解离散动量方程、核验边界匹配与对称性。若离散作用量保留某种空间对称性,就有机会保留对应动量;粗糙求积或不对称处理可能破坏它。

固定步长的变分积分器通常不精确保留原 Hamiltonian,时间离散打破了连续时间平移的直接结构。保辛、保动量和保能量应分别陈述。退化 Lagrangian、约束和外力也需要相应扩展,不能直接套用正则无力公式。

参考资料
  • Marsden and West, Discrete mechanics and variational integrators, Acta Numerica 10, 2001, pp. 357–514, Part 1,离散作用量、Legendre 变换及离散 Noether 定理。
  • Hairer, Lubich and Wanner, Geometric Numerical Integration, 2nd ed., Chapter VI,变分形式与辛方法。
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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