(Luận án tiến sĩ) một số phương pháp song song giải hệ phương trình vi phân 62 46 30 01

Mục lục Mở đầu Ch−¬ng Tổng quan phơng pháp Runge-Kutta 1.1 Các khái niệm phơng pháp Runge-Kutta (RK) 1.1.1 Tính ổn định phơng pháp Runge-Kutta (RK) 10 1.1.2 Cấp xác phơng pháp Runge-Kutta 12 1.2 Các phơng pháp Runge-Kutta hiÓn (ERK) 13 1.3 Các phơng pháp Runge-Kutta dạng trùng khớp 16 1.4 Các phơng pháp lặp song song dạng Runge-Kutta (PIRK) 19 1.4.1 Sự ổn định phơng pháp PIRK 22 1.4.2 Sự hội tụ phơng pháp PIRK 23 1.4.3 Mét sè ph−¬ng ph¸p PIRK kh¸c 23 1.5 KÕt luËn 25 Chơng Các phơng pháp lặp song song dự báo-hiệu chỉnh Dạng Runge-Kutta liên tục 2.1 Các phơng pháp hiệu chỉnh RK liên tục 28 2.2 Các phơng ph¸p PIRKC 32 2.2.1 Tèc ®é héi tơ 35 2.2.2 MiỊn ỉn ®Þnh 36 2.3 C¸c thư nghiƯm sè 37 2.3.1 So s¸nh với phơng pháp song song 39 2.3.1.1 Bài toán hai vật thể 40 2.3.1.2 Bài toán Fehlberg 41 2.3.1.3 Bµi toán chuyển động vật thể rắn tác ®éng cđa ngo¹i lùc 41 2.3.2 So s¸nh với phơng pháp 42 2.4 KÕt luËn 43 i Ch−¬ng Các phơng pháp lặp song song Giả Runge-Kutta hai bớc 3.1 Các phơng pháp hiệu chỉnh giả Runge-Kutta hai bớc (các phơng pháp PTRK) 45 3.2 C¸c phơng pháp lặp song song giả RK hai bớc (các phơng pháp IPIPTRK) 50 3.2.1 Các điều kiện cấp cho công thức dự báo 51 3.2.2 Tèc ®é héi tơ 53 3.2.3 MiÒn ổn định 54 3.3 C¸c thư nghiƯm sè 56 3.3.1 So sánh với phơng pháp song song 59 3.3.1.1 Bài toán hai vật thể 60 3.3.1.2 Bài toán Fehlberg 60 3.3.1.3 Bài toán chuyển động vật thể rắn tác động ngoại lực 61 3.3.2 So sánh với phơng pháp 62 3.4 KÕt luËn 63 Chơng Các phơng pháp lặp song song dự báo-hiệu chỉnh Dạng Runge-kutta hai bớc liên tục 4.1 Các phơng pháp dự báo-hiệu chỉnh dạng Runge-Kutta hai bớc liªn tơc 65 4.2 Các phơng pháp lặp song song dự báo-hiệu chỉnh dạng Runge-Kutta hai bớc liên tục ( phơng pháp TBTPIRKC) 68 4.2.1 Tèc ®é héi tơ 70 4.2.2 Miền ổn định 71 4.3 C¸c thư nghiƯm sè 73 4.3.1 So sánh với phơng pháp song song 75 4.3.1.1 Bài toán hai vật thể 75 ii 4.3.1.2 Bài toán Fehlberg 75 4.3.1.3 Bài toán chuyển động vật thể rắn tác động ngoại lực 76 4.3.2 So sánh với phơng pháp 77 4.4 KÕt luËn 77 KÕt ln cđa ln ¸n 79 Danh mục công trình đà công bố 80 Tài liƯu tham kh¶o 82 iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Các ký hiệu := định nghĩa xấp xỉ số \d không gian véctơ thực d - chiỊu ^ tËp c¸c sè phøc ^− tËp c¸c số phức với phần thực âm f ( j ) đạo hàm bậc j hàm f J Jacobian f QT ma trËn chun vÞ cđa Q Q −1 ma trận nghịch đảo Q I , I d ma trận đơn vị, ma trận thành phần (cấp dxd ) ei thành phần thứ i véctơ sở 0,0rxs véc tơ không, ma trận không (kÝch th−íc rxs) Q ⊗ A tÝch tenx¬ cđa ma trËn Q víi ma trËn A σ ( A) phỉ cđa ma trËn A ρ ( A) b¸n kÝnh phỉ cđa ma trËn A ρ (∂f / ∂y ) b¸n kÝnh phỉ cđa ma trËn Jacobian cđa hµm f ( y ), f , y ∈\ d ∞ chuÈn max Re( z ) phÇn thùc cđa sè phøc z Im( z ) phần ảo số phức z Các chữ viết tắt ERK (Explicit Runge-Kutta method) phơng pháp Runge-Kutta hiển IRK (Implicit Runge-Kutta method) phơng pháp Runge-Kutta ẩn iv IPIPTRK (Improved parallel-iterated pseudo two-step Runge-Kutta methods) phơng pháp lặp song song giả Runge-Kutta hai bớc cải tiến IVPs (Initial Value Problems) toán giá trị đầu (bài toán Cauchy) ODEs (Ordinary differential equations) phơng trình vi phân thờng PIRK (Parallel-iterated Runge-Kutta method) phơng pháp lặp song song d¹ng Runge-Kutta PIRKC (Parallel-iterated Runge-Kutta method with continuous output formulas) phơng pháp lặp song song dạng Runge-Kutta liên tục PTRK (Pseudo Two-step Runge-Kutta method) phơng pháp giả hai bớc dạng Runge-Kutta PC (Predictor-corrector method) phơng pháp dự báo-hiệu chỉnh RungeKutta TBTRKC (Continuous twostep-by-twostep Runge-Kutta method) phơng pháp dạng Runge-Kutta hai bớc liên tục TBTPIRKC (Twostep-by-twostep PIRK-type PC methods with continuous output formulas) phơng pháp lặp song dạng Runge-Kutta hai bớc liên tục v Danh mục bảng Bảng 1.1 Cấp xác phơng pháp Runge-Kutta hiển15 Bảng 1.2 Một số phơng pháp Runge-Kutta dạng trùng khớp20 Bảng 2.1 Các cặp ổn ®Þnh ( β (m) , β re im (m) ) cho phơng pháp PIRKC cấp p khác nhau. 38 Bảng 2.2 Các giá trị NCD/ N seq cho toán (2.3.2) nhận đợc phơng pháp song song PC cấp p khác .40 Bảng 2.3 Các giá trị NCD / N seq cho toán (2.3.3) nhận đợc phơng pháp song song PC cấp p khác . 41 Bảng 2.4 Các giá trị NCD/ N seq cho toán (2.3.4) nhận đợc phơng pháp song song PC cấp p khác ..42 Bảng 2.5 So sánh với phơng pháp cho toán (2.2.3)43 Bảng 3.1 Các nhân tố hội tụ cho phơng pháp song song PC cấp p khác .58 Bảng 3.2 Các cặp ổn định ( (m) , (m) ) cho phơng pháp IPIPTRK re im cấp p khác .58 Bảng 3.3 Các giá trị NCD / N seq cho toán (2.3.2) phơng pháp song song PC cấp p kh¸c víi pr bé xư lý… ………….… 60 Bảng 3.4 Các giá trị NCD / N seq cho toán (2.3.3) phơng pháp PC song song cấp p khác nhau61 Bảng 3.5 Các giá trị NCD / N seq cho toán (2.3.4) phơng ph¸p PC song song cÊp p kh¸c …………………… ……………….61 vi Bảng 3.6 So sánh với phơng pháp cho toán (3.3.3) .62 Bảng 4.1 Các cặp ( (m), (m)) cho phơng pháp TBTPIRKC re im cấp p .74 Bảng 4.2 Các giá trị NCD / N seq cho toán 2.3.2 nhận đợc phơng pháp PC song song p 75 Bảng 4.3 Các giá trị NCD / N seq cho toán 2.3.3 nhận đợc phơng pháp PC song song p ..76 Bảng 4.4 Các giá trị NCD / N seq cho toán 2.3.4 nhận đợc phơng pháp PC song song cấp p .. 77 Bảng 4.5 So sánh với mà với toán Fehlberg 2.3.3 .78 vii Mở đầu Nhiều toán lĩnh vực khoa học kỹ thuật đợc qui việc tìm nghiệm hệ phơng trình vi phân thỏa mÃn số điều kiện (điều kiện ban đầu, điều kiện biên, v.v) Đa số hệ phơng trình vi phân mô tả hệ häc, vËt lý häc, ho¸ häc, sinh häc v.v… rÊt phức tạp, hy vọng giải mà thông thờng phải giải phơng pháp gần Các phơng pháp số phơng pháp có hiệu giải gần hệ phơng trình vi phân (xem [1, tr 145-150] Các phơng pháp Runge-Kutta phơng pháp số hoàn hảo mà phơng pháp khác nh cấp xác cao, tính ổn định tốt, có khả song song hóa cao Vì phơng pháp RK đợc quan tâm nghiên cứu nhiều nhà toán học lĩnh vực giải số phơng trình vi phân Chính khuôn khổ luận án nghiên cứu xây dựng phơng pháp song song dạng Runge-Kutta để giải toán giá trị ban đầu (IVPs) không cơng hệ phơng trình vi phân dạng y ' (t ) = f (t, y (t )) , y, f ∈ \d , y (t0 ) = y0 , t t T0 , (1) dạng y ' (t ) = f ( y (t )) , y, f ∈ \d , y (t0 ) = y0 , t ≤ t ≤ T0 Khi xÐt toán Cauchy (IVPs) (1) thờng giả thiết hàm vế phải f (t , y ) Lipschitz liên tục Ta có định nghĩa sau { } Định nghÜa Ký hiÖu Ω = (t , y ) | t ≤ t ≤ T , y ∈ \d , hàm f (t , y ) đợc gọi 0 Lipschitz liªn tơc nÕu: i) ∃ L > cho ∀(t , y*),(t , y **) ∈Ω, th× f (t , y*) − f (t , y **) ≤ L y * − y ** , ii) Hµm f (t , y ) xác định liên tục víi ∀(t , y ) ∈Ω §iỊu kiƯn i) định nghĩa gọi điều kiện Lipschitz Runge (1895) đà mở rộng phơng pháp Euler cách thêm vào bớc Euler vào điểm đoạn tích phân, Kutta (1901) đà xây dựng phơng pháp cấp 3, cấp tiếng đánh giá thêm hàm vế phải điểm ®iĨm ci cđa b−íc tÝch ph©n (xem [7, tr 45 46]) Các phơng pháp Runge-Kutta tổng quát s nấc để giải toán (1) đợc xác định nh− sau s = y + h ∑ aij f (t + c j h, Y ) , i = 1, ,s , n, i n n n, j Y (2) j =1 s yn + 1= yn + h ∑ b j f (tn + c j h, Yn, j ) , (3) j =1 ®ã ma trËn A = (aij ) sxs , véctơ s chiỊu c = (c ) vµ b = (b ) i ma trận véctơ tham số phơng pháp Y n, i i véctơ nấc biểu diễn xấp xỉ lời giải xác điểm t + c h, i = 1, , s , n Y n, i ≈ y(t + c h) , y ≈ y(t ), y n i n n n +1 ≈ y(t n +1 ), h = t n +1 i t độ dài bớc n Nếu A ma trận tam giác dới chặt phơng pháp (2)-(3) gọi phơng pháp Runge-Kutta hiển (ERK), ngợc lại phơng pháp RungeKutta ẩn (IRK) Trong (2)-(3) để xác định đợc Y n, i ta phải giải s.d phơng trình (hầu hết phi tuyến) kích thớc s.d , cần phải thực khối lợng tính toán lớn, đặc biệt trờng hợp phơng pháp Runge-Kutta ẩn Chính trớc phơng tiện tính toán (chủ yếu máy tính điện tử) cha phát triển, phơng pháp Runge-Kutta cha phải phổ biến cha đợc quan tâm nghiên cứu nhiều Sau Butcher (1976) xây dựng đợc kỹ thuật tính toán hiệu cách ánh xạ ma trận Runge-Kutta A dạng chuẩn tắc Jordan (xem [9], [7, tr 48-50]), tình hình đà thay đổi phơng pháp IRK đợc quan tâm nghiên cứu nhiều trở nên thông dụng Một CODE tự động viết ngôn ngữ FORTRAN77 có cấp xác dựa giải pháp Butcher phơng pháp IRK Radau IIA có tên RADAU5 đà đời (xem [29]) Khi giải trực tiếp toán (2)-(3) phơng pháp lặp Newton cải tiến, để khắc phục tính toán với chi phÝ cao sư dơng ph©n tÝch LU , nhiỊu tác giả đà dựa kỹ thuật Butcher để xây dựng phơng pháp Runge-Kutta hiệu với hạn chế khác lên cấu trúc ma trận A nh: ma trận A có dạng tam giác dới (các phơng pháp đờng chéo ẩn (DIRKs)), phần tử đờng chéo (các phơng pháp ®−êng chÐo Èn ®¬n (SDIRKs)); ma trËn A chØ cã điểm phổ cho đồng dạng với ma trận có đờng chéo - đờng chéo phụ (các phơng pháp ẩn đơn (SIRKs)), v.v…, (xem [7, tr 49-51]) Mét nh÷ng líp phơng pháp Runge-Kutta có cấp xác cao tính ổn định tốt lớp phơng pháp Runge-Kutta dạng trùng khớp Sự trùng khớp kỹ thuật có từ lâu đợc ứng dụng rộng rÃi giải tích số ý tởng kỹ thuật bao gồm hàm đợc chọn (thờng đa thức) tập điểm trùng khớp, sau yêu cầu điểm trùng khớp hàm đợc chọn có dáng điệu biến đổi giống nh hàm cha biết mà cố g¾ng xÊp xØ sè Sù tù lùa chän véctơ c cho phép xây dựng đợc phơng pháp IRK d¹ng trïng khíp s − nÊc víi cÊp chÝnh xác cao tính ổn định tốt nh phơng ph¸p Gauss-Legendre cđa Butcher cã cÊp chÝnh x¸c 2s , Randau IA vµ Randau IIA cđa Axelsson vµ Ehle cã cấp xác 2s , phơng pháp Lobatto IIIA, IIIB, IIIC cđa Ehle vµ Chipman cã cÊp chÝnh xác 2s với thành phần véctơ c nghiệm khác đa thức Legendre (xem [2], [28], [29]) Cïng víi sù ph¸t triĨn khoa học công nghệ, mô hình toán học ngày phức tạp phức tạp liệu, kích thớc liệu toán lớn, yêu cầu độ xác cao tốc độ xử lý nhanh đặc biệt phải giải toán chế độ thời gian thực Chính phơng pháp số kinh điển trớc đợc xây dựng nghiên cứu để sử dụng máy tính truyền thống có xử lý tỏ không hữu hiệu đáp ứng đợc yêu cầu khoa học tính toán đại Từ máy tính song song xuất với sức mạnh tính toán lớn, tình hình đà thay đổi đáng kể, nhiều phơng pháp song song dạng RungeKutta có hiệu quả, độ xác cao tính ổn định tốt đà đợc đời Do đó, tơng ứng với phơng trình thử, tốc độ hội tụ phơng pháp TBTPIRKC xác định bëi b¸n kÝnh phỉ ρ (zA) cđa ma trËn zA , với yêu cầu ( zA) < , điều kiện hội tụ z < ρ ( A) h< hc ρ (∂f / ∂y )ρ ( A) (4.2.10) Ta gäi ρ ( A) nhân tố hội tụ 1/ ( A) biên hội tụ phơng pháp TBTPIRKC Có thể khai thác lựa chọn tự véctơ trùng khớp c phơng pháp hiệu chỉnh TBTRK liên tục để cực tiểu hoá nhân tố hội tụ ( A) , tơng đơng cực đại hoá miền hội tụ S S conv conv đợc xác định nh sau: : = { z : z ∈ ^, z < / ( A)} (4.2.11) 4.2.2 Miền ổn định Tính chất ổn định tuyến tính phơng pháp TBTPIRKC đợc khảo sát việc áp dụng vào phơng trình thử (xem mục 2.2.2) Xác định ma trận B nh− sau: B = (b(2 + c ), , b(2 + cs ))T , với phơng trình thử, ta biểu diễn véctơ khởi tạo T (0) ⎛ (0) (0) ⎞ Y = ⎜ Y , , Y xác định công thức dự báo (4.2.1) dới dạng n n,s n,1 Y(0) = ey n n−2 + zBY(m) , z := h n2 áp dụng (4.2.1)-(4.2.3) vào phơng trình thử ta có Y(m) = ey + zAY(m − 1) n n n = ⎡⎢ I + zA + + ( zA)(m − 1) ⎤⎥ ey + ( zA)(m) Y(0) ⎣ ⎦ n n = z m + Am BY(m) + ⎡⎢ I + zA + + ( zA)(m − 1) ⎤⎥ ey + z m Amey , (4.2.12) n−2 ⎣ n−2 ⎦ n 71 y n+2 = y + zbT (2)Y(m) n n { } = z m + 2bT (2) Am BY(m) + + zbT (2) ⎡⎢ I + zA + + ( zA)m − ⎤⎥ e y n−2 ⎣ ⎦ + z m + 1bT (2) Ameyn−2 n (4.2.13) Tõ (4.2.12)-(4.2.13) ta cã c«ng thøc truy håi ⎛ Y ( m) ⎞ ⎛ Y ( m) ⎞ ⎜ n ⎟ ⎜ n−2⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ yn + ⎟ = M m ( z ) ⎜ yn ⎟ , ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ y ⎟ ⎜y ⎟ ⎝ n ⎠ ⎝ n−2 ⎠ (4.2.14) ®ã M ( z ) lµ ma trËn cÊp ( s + 2).( s + 2) xác định m z m+1 Am B ⎡ I + zA + + ( zA)m−1 ⎤ ⎣ ⎦ ⎜ ⎜ m+ T M m ( z ) = ⎜ z b (2) Am B + zbT (2) ⎡⎣ I + zA + + ( zA)m−1 ⎤⎦ e ⎜ ⎜ 0T ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ z m+1bT (2) Ame ⎟ (4.2.15) ⎟ ⎟ ⎠ z m Ame Ma trËn M ( z ) (4.2.15), xác định tính chất ổn định m phơng pháp TBTPIRKC, đợc gọi ma trận khuyếch đại, bán kính phổ (M ( z )) hàm ổn định Với m cho trớc, miền ổn định ký hiệu m S stab (m) phơng pháp TBTPIRKC đợc xác định nh sau: S stab { } : = z : ρ (M ( z )) < 1, Re(z ) ≤ m Với số m lần lặp đà cho, biên ổn định thực ( m ) biên ổn re định ảo ( m ) đợc định nghĩa cách tơng tự (xem mục 2.2.2) Tính im toán số cặp biên ổn định phơng pháp TBTPIRKC đợc trình bày bảng 4.1 phần 4.3 dới 72 4.3 Các thử nghiệm số Trong phần đa kết thử nghiệm số phơng pháp TBTPIRKC Chúng ta xét phơng pháp dự báo TBTRK liên tục s nấc dựa véctơ trùng khớp s chiều có thành phần nghiệm đa thức Chebyshev loại cấp s đoạn [0, 2] nh− sau ⎛ 2i - ⎞ π ⎟ +1, i = 1, , s ⎝ 2s ⎠ c = cos i Với phơng pháp Runge-Kutta dạng trùng khớp, lựa chọn điểm trùng khớp dờng nh lựa chọn tốt Chúng hạn chế xét phơng pháp TBTPIRKC dựa phơng pháp dự báo TBTRK liên tục nấc Cấp xác, cấp xác nấc cấp xác liên tục phơng pháp TBTPIRKC số nấc (Định lý 4.2.1) Các nhân tố hội tụ đợc xác định 4.2.1 phơng pháp TBTPIRKC tính đợc tơng ứng 0.394 0.277 Bảng 4.1 dới đa cặp ổn định phơng pháp TBTPIRKC đợc sử dụng thử nghiệm số Chúng nhận thấy biên ổn định ảo hai phơng pháp TBTPIRKC có dáng điệu biến đổi không theo qui luật Từ bảng 4.1, ta thấy phơng pháp TBTPIRKC đợc xét có miền ổn định chấp nhận đợc cho toán không cơng với m = Sau so sánh phơng pháp TBTPIRKC với các phơng pháp song song CODE DOPRI5 DOP853 đà biết Với phơng pháp TBTPIRKC sử dụng dự báo tầm thờng bớc xác định nh sau: (0) Y =y , 0, i i = 1, , s Sai số tuyệt đối nhận đợc điểm cuối khoảng tính toán đợc biểu diễn dới dạng 10 NCD ( NCD số trung bình chữ số thập phân có nghĩa) 73 Bảng 4.1 Các cặp ( (m), (m)) cho re im phơng pháp TBTPIRKC cấp p Các phơng pháp TBTPIRKC p=4 p=6 m=1 (0.531, 0.306) (0.227, 0.160) m=2 (0.415, 0.001) (0.245, 0.001) m=3 (0.578, 0.008) (0.412, 0.006) m=4 (0.675, 0.579) (0.472, 0.440) m=5 (0.876, 0.825) (0.618, 0.586) Bá qua nh©n tố cân thời gian kết nối xử lý phơng pháp song song, so sánh phơng pháp khác phần dựa N seq , NCD s N stp (xem 2.3 chơng 2) Qua thử nghiệm số với việc sử dụng toán thử có kích thớc nhỏ lấy từ tài liệu cho thấy khả vợt trội phơng pháp TBTPIRKC so với phơng pháp đà có Sự vợt trội cã ý nghÜa sư dơng m¸y tÝnh song song toán thử kích thớc lớn / giá tính toán hàm vế phải f cao (xem [7]) Để thấy đợc hành vi hội tụ phơng pháp TBTPIRKC, tuân theo chiến lợc động phơng pháp PC cho việc xác định số lần lặp bớc tính Điều tự nhiên, yêu cầu sai số lặp cấp xác sù hiƯu chØnh cã cïng cÊp theo h §iỊu dẫn đến dấu hiệu dừng sau (xem [15], [21]) Y(m) − Y(m − 1) n n ∞ ≤ TOL = Ch p , (4.2.16) C tham số toán phụ thuộc phơng pháp, p cấp xác phơng pháp hiệu chỉnh Tất tính toán đợc thực máy tính xác tới 15 chữ số Việc cài đặt thuật toán thật máy tính song song chủ đề nghiên cứu 74 4.3.1 So sánh với phơng pháp song song Chúng đa kết số để so sánh với phơng pháp PC song song tốt có tài liệu, phơng pháp PIRK xét [33], phơng pháp PIRKC xét Chơng 2, (trong [24]) phơng pháp TBTPIRKC cấp cấp xét chơng Chúng ta chọn ba toán thử đà có từ tài liệu nh đà xét 2.3 Chơng 4.3.1.1 Bài toán hai vËt thĨ Trong thư nghiƯm sè thø nhÊt, ta ¸p dụng phơng pháp PC cấp p khác với toán hai vật thể (xét 2.3.1 chơng 2, [33], [40]) Các kết số đợc đa bảng 4.2 cho thấy phơng pháp TBTPIRKC hiệu so với phơng pháp PIRK phơng pháp PIRKC có cấp xác Với toán phơng pháp TBTPIRKC cần hai lần lặp hai bớc Bảng 4.2 Các giá trị NCD / N seq cho toán 2.3.2 nhận đợc phơng pháp PC song song p N stp = 100 N stp = 200 N stp = 400 N stp = 800 N stp = 1600 C PIRK 3.1/441 3.7/905 4.9/1947 6.1/4000 7.3/8000 100 PIRKC 3.0/236 4.6/469 6.2/936 7.7/1869 8.9/3732 100 TBTPIRKC 2.0/147 3.7/260 4.9/485 6.0/937 7.2/1799 100 PIRK 5.0/643 7.2/1302 8.9/2637 10.5/5499 12.3/11200 10 - PIRKC 5.8/284 8.8/552 10.0/1061 12.2/2047 14.3/4089 10 - TBTPIRKC 4.6/209 6.7/361 8.5/633 10.2/1161 12.2/2146 10 - C¸c P.P PC 75 4.3.1.2 Bài toán Fehlberg Trong thử nghiệm số thứ, hai áp dụng phơng pháp PC cấp p khác vào toán Fehlberg đoạn tích phân [0, 5] (xét 2.3.1 chơng 2, [15], [33], [40]) Các kết số đợc đa bảng 4.3 dấu * máy tính không đủ ®é chÝnh x¸c ®Ĩ tÝnh N stp = 1600 Các kết số phơng pháp TBTPIRKC vợt trội nhiều so với phơng pháp PIRK PIRKC có cấp 4.3.1.3 Bài toán chuyển động vật thể rắn tác động ngoại lực Thử nghiệm số cuối áp dụng vào hàm Jacobian elliptic sn, cn, dn nghiệm phơng trình chuyển động vật thể rắn tác động ngoại lực khoảng tích phân [0, 20] (xem 2.3.1 ch−¬ng 2, [28, tr 240], [43]) Các kết số cho toán đợc đa bảng 4.4 cho kết luận giống nh hai thử nghiệm số trớc Bảng 4.3 Các giá trị NCD / N seq cho toán 2.3.3 nhận đợc phơng pháp PC song song Các P.P N stp = 1600 p N stp = 100 N stp = 200 N stp = 400 N stp = 800 PIRK 2.7/392 4.0/842 5.2/1756 6.5/3650 7.7/7409 103 PIRKC 2.9/230 4.1/458 5.7/915 7.2/1826 8.8/3657 103 TBTPIRKC 3.4/151 4.6/270 5.8/495 7.0/933 8.2/1789 103 PIRK 5.2/601 7.0/1245 8.9/2542 10.7/5199 12.5/10488 103 PIRKC 6.5/297 8.4/572 10.2/1114 12.1/2176 * 103 TBTPIRKC 6.1/214 8.0/364 9.9/659 11.8/1178 * 103 PC C 76 4.3.2 So sánh với phơng pháp Trong phần 4.3.1 đà so sánh TBTPIRKC với phơng pháp PIRK PIRKC Trong phần này, so sánh phơng pháp TBTPIRKC cấp 6, gọi TBTPIRKC6 với hai mà DOPRI5 DOP853 (xem 2.3.2 chơng 2) áp dụng cho toán Fehlberg (xem 2.3.1 chơng 2) nhận thấy phơng pháp TBTPIRKC hiệu (xem bảng 4.5) Bảng 4.4 Các giá trị NCD / N seq cho toán 2.3.4 nhận đợc phơng pháp PC song song p N stp = 100 N stp = 200 N stp = 400 N stp = 800 PIRK 2.3/ 300 5.1/ 800 6.3/ 1600 7.5/ 3200 8.9/ 6571 101 PIRKC 4.1/ 202 5.6/ 402 7.1/ 802 8.6/ 1602 10.1/ 3203 101 TBTPIRKC 4.0/ 102 5.6/ 203 7.9/ 403 8.7/ 803 9.8/ 1603 101 PIRK 5.1/ 486 7.8/ 1126 11.2/ 2345 12.5/ 4775 * 100 PIRKC 6.5/ 204 8.5/ 404 10.5/ 804 12.6/ 1604 * 100 TBTPIRKC 6.1/ 142 7.7/ 257 9.9/ 461 12.8/ 805 * 100 C¸c P.P PC 4.4 N stp = 1600 C Kết luận Trong chơng đà nghiên cứu phơng pháp dự báo-hiệu chỉnh kiểu RK lặp song song hai bớc liên tục đợc ký hiệu TBTPIRKC Với thử nghiệm số cho thấy với cấp xác p phơng pháp TBTPIRKC vợt trội phơng pháp PIRK Bằng so sánh phơng pháp TBTPIRKC cấp (TBTPIRKC6) với mà tốt DOPRI5 DOP853 (xem [28]), ta thấy phơng pháp TBTPIRKC hiệu nhiều 77 Bảng 4.5 So sánh với mà cho toán Fehlberg 2.3.3 Các phơng pháp N stp NCD N seq DOPRI5 (tõ [16]) 75 162 393 979 2458 3.2 5.3 7.4 9.4 11.4 452 974 2360 5876 14750 DOP853 (tõ [16]) 47 70 107 164 261 4.5 6.2 8.0 10.2 12.2 552 825 1265 1950 3123 TBTPIRKC6 ( từ chơng này) 50 100 200 400 800 3.7 6.1 8.0 9.9 11.8 172 214 364 659 1178 78 kết luận luận án Qua vấn đề đà trình bày, ta thấy luận án đà đạt đợc mục đích đề Các kết thu đợc là: 1) Nghiên cứu lợc đồ lặp dự báo-hiệu chỉnh song song dựa phơng pháp hiệu chỉnh Runge-Kutta dạng trùng khớp liên tục để giải toán giá trị đầu ( IVP ) không cơng cho hệ phơng trình vi phân thờng cấp (ODE) Các phơng pháp lặp song song dự báo-hiệu chỉnh (PC) dạng RK thu đợc phơng pháp liên tục Các xấp xỉ số liên tục đợc sử dụng cho việc dự báo giá trị nấc trình xử lý lặp dự báo-hiệu chỉnh áp dụng phơng pháp PIRKC nhận đợc vào số toán thử phổ biến cho thấy phơng pháp PIRKC hiệu so sánh với phơng pháp lặp song song (PIRK) cấp mà hiệu DOPRI5 DOP853 từ tài liệu [28] 2) Khởi đầu phơng pháp giả RK hai bớc s-nấc cấp p* với w nấc ẩn, áp dụng xử lý lặp PC song song cấp cao với phơng thức tính toán PE(CE) mE Kết quả, nhận đợc phơng pháp PC song song gọi phơng pháp lặp song song giả Runge-Kutta hai bớc (phơng pháp PIPTRK) với công thøc dù b¸o míi cã cÊp chÝnh x¸c cao gäi phơng pháp PIPTRK cải tiến (phơng pháp IPIPTRK) Thử nghiệm số cho thấy phơng pháp IPIPTRK u việt phơng pháp lặp song song (PIRK) cấp mà hiệu DOPRI5 DOP853 từ tài liệu [28] 3) Đề xuất nghiên cứu phơng pháp lặp dự báo-hiệu chỉnh song song dựa phơng pháp hiệu chỉnh Runge-Kutta dạng trùng khớp liên tục để giải toán giá trị đầu không cơng (IVP) cho hệ phơng trình vi phân thờng cấp (ODE) Trên bớc thứ n , công thức tính liên tục không đợc sử dụng cho giá trị dự báo nấc phơng pháp lặp dự báohiệu chỉnh mà sử dụng để tính giá trị bớc thứ n+2 Khi trình tính toán thực hai bớc Thử nghiệm số cho thấy 79 phơng pháp PC TBTPIRKC hiệu phơng pháp lặp song song dạng Runge-Kutta (PIRK) mà hiệu DOPRI5 DOP853 đà có tài liệu [28] Các kết luận án mới, có tính chất thời sự, góp phần làm phong phú thêm phơng pháp song song PC dạng Runge-Kutta phơng pháp có hiệu quả, đợc quan tâm nghiên cứu chiếm vị trí quan trọng lý thuyết giải số phơng trình vi phân Theo truyền thống phơng pháp PC Runge-Kutta thực tính toán bớc theo bớc Lần chơng ®−a kü tht tÝnh to¸n míi- hai b−íc mét cho phép trình tính toán nhanh hơn, giá tính toán rẻ phơng pháp có hiệu Kỹ thuật áp dụng cho phơng pháp dạng Runge-Kutta khác Các phơng pháp đa luận án phát triển dùng chiến lợc thay đổi bớc lới kỹ thuật kẹp đôi Các phơng pháp mở rộng cho toán giá trị đầu hệ phơng trình vi phân có trễ Cuối cùng, việc thử nghiệm phơng pháp máy tính song song nghiên cứu có ý nghĩa khoa học thực tiễn 80 Các công trình đ đợc công bố liên quan đến luận án [1] N H Cong and L N Xuan, Parallel-iterated RK-type PC methods with continuous output formulas, International Journal of Computer Mathematics, Vol 80, No 8, August 2003, pp 1027-1037 [2] N H Cong and L N Xuan, Improved parallel-iterated pseudo two-step RK methods for nonstiff IVPs, Applied Numerical Mathematics, (to appear) [3] N H Cong and L N Xuan, Twostep-by-twostep PIRKC methods, Vietnam Journal of Mathematics, vol 35, N0 2, June 2007, pp 223-229 81 Tài liệu tham khảo I tàI liệu tiếng việt [1] Phạm Kỳ Anh (1996), Giải tích số, NXB ĐHQG Hà Nội [2] Nguyễn Hữu Công ( 2002), Các phơng pháp song song dạng RungeKutta-Nystrửm, NXB ĐHQG Hà Nội II tµI liƯu tiÕng Anh [3] A Bellen, R Vermiglio and M Zennaro (1990), “Parallel ODE-solvers with stepsize control”, J Comput Appl Math 31 , 277-293 [4] A Bellen and M Zennaro (1989), “Parallel algorithms for initial value problems for difference and differential equations”, J Comput Appl Math 25 , 341-350 [5] K Burrage (1993), “Efficient block predictor-corrector methods with a small number of corrections”, J Comput Appl Math 45 , 139-150 [6] K Burrage (1993), “Parallel methods for initial value problems”, Appl Numer Math 11, 5-25 [7] [8] K Burrage (1995), Parallel and Sequential Methods for Ordinary Differential Equations, Clarendon Press, Oxford K Burrage and H Suhartanto (1997), “Parallel iterated methods based on multistep Runge-Kutta methods of Radau type”, Adv in Comput Math 7, 37-57 [9] J C Butcher (1976), “On the implemention of implicit Runge-Kutta methods”, BIT 15 , 358-361 [10] J C Butcher (1987), The Numerical Analysis of Ordinary Differential Equations, Rung -Kutta and General Linear Methods, Wiley, New York [11] J R Cash (1979), “Diagonally implicit Runge-Kutta formulae with error estimates”, J Inst Math Appl 24, 193-301 [12] J R Cash and C B Liem (1980), “On design of a variable order, variable step diagonally implicit Runge-Kutta algorithms”, J Inst Math Appl 26 , 87-91 82 [13] M T Chu and H Hamilton (1987), “Parallel solutions of ODEs by multi-block methods”, SIAM J Sci Statist Comput 3, 342-253 [14] N H Cong (1992), “Parallel direct collocation-based implicit RungeKutta- Nyström methods with high stability”, Acta Math Viet 17, 149-161 [15] N H Cong (1994), “Parallel iteration of symmetric Runge-Kutta methods for nonstiff initial value problems”, J Comput Appl Math 51, 117-125 [16] N H Cong (1999), “Explicit pseudo two-step Runge-Kutta methods for parallel computers”, Int J Comput Math 73, 77-99 [17] N H Cong (1999), “Continuous variable stepsize explicit pseudo twostep RK methods”, J Comput Appl Math 101, 105-116 [18] N H Cong (2001), “A general family of pseudo two-step Runge-Kutta methods”, SEA Bull Math 25, 61-73 [19] N H Cong, H Podhaisky and R Weiner (1998), “Numerical experiments with some explicit pseudo two-step RK methods on a share memory computer”, Computers Math Appl 36, 107-116 [20] N H Cong and T Mitsui (1996), “Collocation-based two-step RungeKutta methods”, Japan J Indust Appl Math 13, 171-183 [21] N H Cong and T Mitsui (1997), “A class of explicit parallel two-step Runge-Kutta methods”, Japan J Indust Appl Math 14, 303-313 [22] N H Cong and T Mitsui (2003), “Parallel predictor-corrector iteration of pseudo two-step RK methods for nonstiff IVPs”, Japan J Indust Appl Math 20, 51- 64 [23] N H Cong and H T Vi (1995), “An improvement for explicit parallel Runge-Kutta methods”, Vietnam J Math 23, 241-252 [24] N H Cong and L N Xuan (2003), “Parallel-iterated RK-type PC methods with continuous output formulas”, Int J Comput Math 80, 1027-1037 83 [25] A R Curtis (1975), “High-order explicit Runge-Kutta formulae, their uses and limitations”, J Inst Math Appl 16, 35-55 [26] A R Curtis (1964), Tables of Jacobian Elliptic Functions Whose Arguments are Rational Fractions of the Quarter Period, H.M.S.O., London [27] E Hairer (1978), “A Runge-Kutta method of order 10”, J Inst Math Appl 21, 47-59 [28] E Hairer, S P N∅rsett and G Wanner (1993), Solving Ordinary Differential Equations I Nonstiff Problems, 2nd edition, SpringerVerlag, Berlin [29] E Hairer and G Wanner (1991), Solving Ordinary Differential Equations II stiff and Differential-Algebraic Problems, SpringerVerlag, Berlin [30] P J van der Houwen (1994), “Parallel iteration schemes for implicit ODEIVP methods”, CWI-reports, NM-N9401, Centre for Mathematics and Computer Science, Amsterdam [31] P J van der Houwen (1993), “Preconditioning in implicit initial value problem methods on parallel computers”, Advances in Computational Mathematics 1, 39- 60 [32] P J van der Houwen and N H Cong (1993), “Parallel block predictorcorrector methods of Runge-Kutta type”, Appl Numer Math 13, 109-123 [33] P J van der Houwen and B P Sommeijer (1990), “Parallel iteration of high-order Runge-Kutta methods with stepsize control”, J Comput Appl Math 29, 111-127 [34] P J van der Houwen and B P Sommeijer (1991), “CWI Contributions to the Development of Parallel Runge-Kutta Methods”, CWI-Repots NM-R9106, Centre for Mathematics and Computer Science, Amsterdam, [35] P J van der Houwen and B P Sommeijer (1992), “Block Runge-Kutta methods on parallel computers”, Z Angew Math Mech 72, 3-10 84 [36] P J van der Houwen and B P Sommeijer (1991), “Iterated RungeKutta methods on parallel computers”, SIAM J Sci Statist Comput 12, 1000-1028 [37] P J van der Houwen and B P Sommeijer (1993), “Analysis of parallel diagonal-implicit iteration of Runge-Kutta methods”, Appl Numer Math 11, 169 -188 [38] P J van der Houwen and B P Sommeijer (1994), “Butcher-Kuntzman methods for nonstiff problems on parallel computers”, Appl Numer Math 15, 357 - 374 [39] P J van der Houwen B P Sommeijer and W A van der Veen (1995), “Parallel iteration across the steps of high order Runge-Kutta methods for nonstiff initial value problems”, J Comput Appl Math 60, 309-329 [40] T E Hull, W H Enright, B M Fellen and A E Sedgwick (1972), “Comparing numerical methods for ordinary differential equations”, SIAM J Numer Anal 9, 603 - 637 [41] J D Lambert (1991), Numerical Methods for Ordinary Differential System, John Wiley and Sons [42] S P Nørsett and H H Simonsen (1989), Aspects of parallel RungeKutta methods in Numerical Methods for Ordinary Differential Equations, Proceedings L’Aquilla 1987, Lecture Notes in Mathematics, 1386, (Edited by A Bellen, C W Gear and E Russo), Springer-Verlag, Berlin [43] L F Shampine and M K Gordon (1975), Computer Solution of Ordinary Differential Equations, The Initial Value Problems, W H Freeman and Company, San Francisco 85 ... phơng pháp tính toán hữu hiệu- phơng pháp song song máy tính hiệu cao đà trở thành nhu cầu cấp thiết giải tích số nói chung giải tích số phơng trình vi phân nói riêng Hầu hết phơng pháp song song... tích số phơng trình vi phân khoa học tính toán đại Xây dựng phơng pháp song song dạng Runge-Kutta có hiệu mối quan tâm lớn nhiều nhà toán học lĩnh vực giải tích số phơng trình vi phân Luận án không... tạp, hy vọng giải mà thông thờng phải giải phơng pháp gần Các phơng pháp số phơng pháp có hiệu giải gần hệ phơng trình vi phân (xem [1, tr 145-150] Các phơng pháp Runge-Kutta phơng pháp số hoàn hảo