Весовые алгоритмы метода мажорантной частоты для статистического моделирования решения пространственно-однородных нелинейных кинетических уравнений больцмановского типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.01.07, кандидат физико-математических наук Блощицына, Ольга Витальевна

• Блощицына, Ольга Витальевна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Блощицына, Ольга Витальевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Решение интегральных уравнений методом Монте-Карло

1.1. Интегральные уравнения

1.2. Цепи Маркова. Весовые оценки

1.3. Дисперсии оценок

Глава 2. Весовые алгоритмы метода Монте-Карло для решения

нелинейного кинетического уравнения Больцмана

2.1. Уравнение Больцмана

2.2. Математическая модель многочастичной системы для решения уравнения Больцмана

2.3. Метод прямого статистического моделирования

2.4. Метод мажорантной частоты

2.5. Весовая модификация прямого статистического моделирования

2.5.1. Модификация фазового пространства

2.5.2. Построение базового интегрального уравнения

в модифицированном фазовом пространстве

2.5.3. Весовая модификация метода мажорантной частоты

2.6. Доказательство конечности дисперсии весовых оценок

2.7. Результаты численных расчетов

Глава 3. Весовой алгоритм метода Монте-Карло для решения

нелинейного уравнения коагуляции

3.1. Уравнение Смолуховского

3.2. Математическая модель системы с переменным количеством частиц для решения уравнения Смолуховского

3.3. Метод прямого статистического моделирования

3.4. Метод мажорантной частоты

3.5. Весовая модификация прямого статистического моделирования

3.5.1 Модификация фазового пространства

3.5.2. Построение базового интегрального уравнения

в модифицированном фазовом пространстве

3.5.3. Весовая модификация алгоритма мажорантной частоты

3.6. Доказательство конечности дисперсии весовых оценок

3.7. Результаты численных расчетов

Глава 4. Алгоритмы моделирования по ценности

4.1. Ценностное моделирование для кинетических уравнений

4.2. Ценностная весовая модификация метода мажорантной частоты для численного решения уравнения коагуляции

4.2.1 Результаты численных расчетов

4.3. Ценностная весовая модификация метода мажорантной частоты для численного решения уравнения Больцмана

4.3.1. Результаты численных расчетов

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Весовые алгоритмы метода мажорантной частоты для статистического моделирования решения пространственно-однородных нелинейных кинетических уравнений больцмановского типа»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время развит целый ряд методов изучения кинетических процессов в газах, жидкостях, твердых телах и плазме. Метод вывода кинетических уравнений, их последующего анализа и решения с целью получения явных выражений кинетических коэффициентов, входящих в уравнения переноса до сих пор не утратил своей актуальности и успешно применяется для решения большого числа задач [1].

В кинетической теории газ описывается с помощью функции распределения, которая содержит информацию как о распределении самих молекул внутри рассматриваемой системы, так и о распределении молекулярных скоростей [2]. Функция распределения в общем случае изменяется со временем, и ее изменение для случая разреженного газа описывается интегро-дифференциальным уравнением Больцмана [3], [4]. Уравнение Больцмана лежит в основе кинетической теории газов и находит широкое применение при изучении таких явлений как перенос электронов в твердых телах и плазме, перенос нейтронов в ядерных реакторах, перенос фотонов в сверхтекучих жидкостях, перенос излучения [5]. В случае задач, связанных с рассмотрением процессов коагуляции (слипания) в газообразных или жидких средах, возникает необходимость решения нелинейного кинетического уравнения Смолуховского [6].

Нелинейное кинетическое уравнения Больцмана и нелинейное кинетическое уравнение Смолуховского называют нелинейными кинетическими уравнениями больцмановского типа из-за того, что они оба имеют одинаковый тип нелинейности. Их сложная нелинейная структура делает, в большинстве случаев, невозможным их аналическое решение. Поэтому един-

ственным способом нахождения решения задач для уравнений этого типа являются численные методы. В силу того, что физическая интерпретация нелинейных кинетических уравнений больцмановского типа носит вероятностный характер, эффективным методом численного решения задач для уравнений такого типа, является численное статистическое моделирование или метод Монте-Карло.

Метод прямого статистического моделирования является наиболее распространенным среди численных методов решения задач динамики разреженного газа. В настоящее время разработано множество различных схем моделирования релаксации газа, в том числе, эффективная для широкого класса моделей межмолекулярного взаимодействия схема мажоратной частоты [7], условием применения которой является ограниченность произведения относительной скорости на сечение рассеяния двух частиц.

Весовой вариант статистического моделирования для численного решения нелинейных кинетических уравнений Больцмана и Смолуховского с введением глобальных весов ранее был исследован в работах [8], [9]. Для уравнения Больцмана рассматривалась модель газа - максвелловские молекулы (случай, когда произведение относительной скорости на сечение -константа); для уравнения Смолуховского был рассмотрен случай, когда коэффициенты коагуляции постоянны.

В данной работе при построении метода Монте-Карло для решения нелинейных кинетических уравнений Больцмана и Смолуховского рассматриваются случаи моделей взаимодействия частиц, для которых произведение относительной скорости на сечение и коэффициенты коагуляции могут быть неограниченными.

Целью диссертационной работы является построение и обоснование весовых модификаций метода мажорантной частоты для приближенного решения нелинейных кинетических уравнений Больцмана и Смолуховского.

Основным результатом работы является построение весового алгоритма

метода Монте-Карло, который, с одной стороны, обладает повышенным быстродействием, как и известный метод мажорантной частоты, с другой - применим для случая неограниченной частоты парного столкновения. Кроме того, весовой метод позволяет исследовать зависимость результатов вычислений от параметра схемы мажорантной частоты в случае урезания скоростного пространства, используя для этого параметрические производные. Доказана конечность дисперсии весовых оценок метода Монте-Карло для уравнения Больцмана и уравнения коагуляции. Эффективность алгоритма подтверждается численными результатами.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

Во введении обоснована актуальность, цель и задачи исследований, изложено краткое содержание диссертации по главам и параграфам.

Первая глава носит справочный характер. В ней приведены основные сведения из теории метода Монте-Карло для решения интегральных уравнений и которые будут использоваться в дальнейшем.

В параграфе 1.1 рассматривается интегральное уравнение второго рода и дается краткое обоснование представления функционалов от его решения рядом Неймана.

В параграфе 1.2 вводится понятие цепи Маркова и рассматриваются весовые оценки метода Монте-Карло для оценки функционалов от решения интегрального уравнения второго рода и приводится обоснование их несмещенности.

В параграфе 1.3 приводятся условия конечности дисперсии весовых оценок.

Во второй главе представлен весовой метод Монте-Карло для решения нелинейного уравнения Больцмана и приведены результаты численных расчетов. Глава состоит из семи параграфов.

В параграфе 2.1 определяется одночастичная функция распределения

для разреженного газа, приводится вид уравнения Больцмана, описывающего ее изменение со временем за счет свободного движения частиц и их столкновения и формулируется задача Коши для решения нелинейного уравнения Больцмана.

В параграфе 2.2 рассматривается известная математическая модель физического процесса однородной релаксации простого однокомпонентного газа, основанная на представлении о газе как об ансамбле конечного числа взаимодействующих частиц. Приводится основное кинетическое уравнение, интегральная форма которого используется для построения алгоритмов метода Монте-Карло для приближенного решения уравнения Больцмана.

В параграфе 2.3 описывается метод прямого статистического моделирования.

В параграфе 2.4 формулируется метод мажорантной частоты и приводится алгоритм прямого статистического моделирования для приближенного решения уравнения Больцмана с использованием принципа мажорантной частоты.

Параграф 2.5 посвящен описанию и обоснованию весовой модификации метода мажорантной частоты для численного решения уравнения Больцмана. В разделе 2.5.1 введена модификация фазового пространства, позволяющая вывести интегральное уравнение, на основе которого можно строить весовые модификации прямого статистического уравнения. В число координат фазового пространства вводится номер взаимодействующей пары. В разделе 2.5.2 в расширенном фазовом пространстве строится базовое интегральное уравнение. В разделе 2.5.3 в число координат фазового пространства, помимо номера взаимодействующей пары, вводится также тип столкновения, что позволяет сформулировать новое интегральное уравнение, на основе которого можно стандартным способом строить весовые модификации прямого статистического моделирования. В разделе вводится цепь Маркова и случайные веса, на основе которых строятся стандартные

весовые оценки метода Монте-Карло для вычисления функционала от решения задачи Коши для уравнения Больцмана.

В параграфе 2.6 приводится доказательство конечности дисперсии стандартных весовых оценок метода Монте-Карло.

В параграфе 2.7 сформулирована задача Коши для пространственно-однородного уравнения Больцмана, решение которой приближенно оценивалось с помощью построенного в 2.5 весового алгоритма. Приведены результаты численных расчетов.

Численные расчеты показывают, что предложенный в работе весовой вариант метода мажорантной частоты позволяет снижать среднее время моделирования траектории случайного процесса по сравнению методом мажорантной частоты. Кроме того, весовой метод позволяет исследовать зависимость результатов вычислений методом мажорантной частоты от параметра в случае урезания скоростного пространства, используя для этого параметрические производные.

Третья глава посвящена весовому методу Монте-Карло для решения нелинейного уравнения коагуляции. Глава состоит из семи параграфов.

В параграфе 3.1 формулируется задача Коши для нелинейного уравнения Смолуховского в случае чистого парного слипания частиц.

В параграфе 3.2 рассматривается математическая модель физического процесса однородной коагуляции.

Параграф 3.3 посвящен методу прямого статистического моделирования.

В параграфе 3.4 формулируется метод мажорантной частоты и приводится алгоритм прямого статистического моделирования для приближенного решения уравнения коагуляции с использованием принципа мажорантной частоты.

Параграф 3.5 посвящен описанию и обоснованию весовой модификации метода мажорантной частоты для численного решения уравнения коагуля-

ции. В разделе 3.5.1 введена модификация фазового пространства, позволяющая вывести интегральное уравнение, на основе которого можно строить весовые модификации прямого статистического уравнения. В число координат фазового пространства вводится номер взаимодействующей пары. В разделе 3.5.2 в расширенном фазовом пространстве строится базовое интегральное уравнение. В разделе 3.5.3 в число координат фазового пространства, помимо номера взаимодействующей пары, вводится также тип столкновения, что позволяет сформулировать новое интегральное уравнение, на основе которого можно стандартным способом строить весовые модификации прямого статистического моделирования. В разделе вводится цепь Маркова и случайные веса, на основе которых строятся стандартные весовые оценки метода Монте-Карло для вычисления функционала от решения задачи Коши для уравнения коагуляции.

В параграфе 3.6 приводится доказательство конечности дисперсии стандартных весовых оценок метода Монте-Карло.

В параграфе 3.7 сформулирована задача Коши для пространственно-однородного уравнения коагуляции, решение которой приближенно оценивалось с помощью построенного в 3.5 весового алгоритма. Приведены результаты численных расчетов.

Результаты численных расчетов показывают, что весовая модификация метода мажорантной частоты несущественно проигрывает методу прямого моделирования в трудоемкости, но, при этом, дает более "качественный" результат, так как оценка, полученная этим методом, остается несмещенной, в отличие от оценки, полученной методом прямого моделирования, для которой наблюдается занижение, начиная с некоторого момента времени, что объясняется "исчезновением" мономеров.

В четвертой главе описаны ценностные алгорр1тмы моделирования для приближенного решения уравнения Больцмана и уравнения коагуляции и приведены результаты численных экспериментов. Глава состоит из трех

параграфов.

В параграфе 4.1 определяется функция ценности и метод выборки по важности. Приведены основные теоремы о несмещенности оценок, построенных методом выборки по важности. Также вводятся вспомогательные функции ценности.

В параграфе 4.2 формулируется ценностная весовая модификация метода мажоратной частоты для численного решения уравнения коагуляции. Вводится приближение к временной функции ценности и ценностное моделирования номера пары. Приводится алгоритм ценностного моделирования цепи Маркова с использованием весовой модификации метода мажорантной частоты. В разделе 4.2.1 приведены результаты численных расчетов для уравнения коагуляции.

Результаты численных расчетов показывают, что для приближенного решения уравнения коагуляции сочетание весовой модификации метода мажорантной частоты с ценностным моделированием обоих элементарных переходов дает существенный выигрыш в трудоемкости по сравнению с методом прямого моделирования.

Параграф 4.3 посвящен ценностной весовой модификации метода мажоратной частоты для численного решения уравнения Больцмана. Введено приближение к временной функции ценности. Приводится алгоритм частично-ценностного моделирования цепи Маркова с использованием метода мажорантной частоты. В разделе 4.3.1 приведены результаты численных расчетов для уравнения Больцмана.

Численные результаты показывают, что, в отличие от уравнения коагуляции, для численного решения уравнения Больцмана более эффективен весовой алгоритм без использования ценностного моделирования, чем весовой алгоритм с использованием частичного ценностного моделирования.

Заключение содержит перечень основных результатов диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Вычислительная математика», Блощицына, Ольга Витальевна

Заключение

Сформулируем основные результаты диссертационной работы.

1). Построен весовой алгоритм метода Монте-Карло для приближенного решения нелинейных кинетических уравнений, который с одной стороны обладает повышенным быстродействием, как и известный метод мажорантной частоты, с другой - применим для случая неограниченной частоты парного столкновения. В случае уравнения Смолуховского это выполняется для неограниченных коэффициентов коагуляции. Доказаны теоремы о конечности дисперсии стандартных весовых оценок метода Монте-Карло при использовании данного метода.

2). Построены ценностные модификации схемы мажорантной частоты для численного решения нелинейного однородного уравнения Больцмана и уравнения коагуляции. Алгоритм позволяет существенно сократить трудоемкость моделирования по сравнению с трудоемкостью алгоритма без ценностной модификации.

3). Проведены численные эксперименты для приближеного решения задачи Коши с помощью построенных в работе весовых модификаций метода мажорантной частоты. Для уравнения Больцмана численно решена задача однородной релаксации газа для модели молекул-твердых шаров. В качестве функционала от решения задачи Коши вычислялся четвертый момент скорости. Для уравнения Смолуховского численно решена задача однородной релаксации газа для случая коэффициентов коагуляции, имеющих линейную зависимость от размеров взаимодействующих частиц. В качестве функционала от решения задачи Коши вычислялось число мономеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Блощицына, Ольга Витальевна, 2013 год

Список литературы

[1] Гуров К.П. Основания кинетической теории. Метод Н.Н.Боголюбова. М.: Наука, 1966.

[2] Ферцигер Дж.., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. М.: Мир, 1976.

[3] Черчиньяни К. Математические методы в кинетической теории газов. М.: Мир, 1973.

[4] Карлеман Т. Математические задачи кинетической теории газов, пер. с франц., М.: Издательство иностранной литературы, 1960.

[5] Черчиньяни К. Теория и приложения уравнения Больцмана. М.: Мир, 1978.

[6] Галкин В. А. Уравнение Смолуховского. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

[7] Иванов М.С., Рогазинский C.B. Метод прямого статистического моделирования в динамике разреженного газа. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1988.

[8] Михайлов Г.А., Рогазинский C.B. Весовые методы Монте-Карло для приближенного решения нелинейного уравнения Больцмана // Сибирский матем. журнал. 2002, Т.43, №3, с.620-628.

[9] Иванов М.С., Коротченко М.А.. Михайлов Г.А., Рогазинский C.B. Глобально-весовой метод Монте-Карло для нелинейного уравнения Больцмана // Ж. вычисл. матем. и матем. физ.2005, Т.45, № 10, С.1860-1870.

[10] Г.А. Михайлов, A.B. Войтишек. Численное статистическое моделирование. Методы Монте-Карло. М., <Академия>, 2006.

[11] Колмогоров А.Н., Фомин C.B. Элементы теории функций и функционального анализа. М.: Наука, 1976.

[12] Кац М. Вероятность и смежные вопросы в физике. М.: Мир, 1965.

[13] Пригоэюин И. Неравновесная статистическая механика. М.: Мир, 1964.

[14] Берд Г. Молекулярная газовая динамика. М.: Мир, 1981.

[15] Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. М.: ФИЗМАТЛИТ, 1982.

[16] Bloshchitsyna О. V., Rogasinsky S. V. Weighted modification of the majo- rant frequency method for solving the Boltzmann equation. 6th St. Peterburg Workshop on Simulaton: Proceedings, St. Petersburg, 2009, Vol. 1, C.143-148.

[17] Блощицына O.B. Весовая модификация метода мажорантной частоты для решения нелинейного уравнения Больцмана. Труды конференции молодых ученых, Новосибирск: Издательство ИВМ и МГ СО РАН, 2009, С.3-9.

[18] S. V. Rogazinskii, О. V. Bloshchitsyna. Weighted modification of the majorant frequency method for solution of nonlinear kinetic equations // Russ.J.Numer.Anal.Math.Modelling, 2011, Vol. 26, No. 5, pp. 501-514.

[19] Рогазинский C.B. Об одном подходе к решению однородного уравнения Больцмана // Ж. вычисл. математики и матем. физ. 1987. Т. 27. № 4. С. 567-574.

[20] P.A. Михайлов, С.В. Рогазинский. М.А. Коротченко. Модификации весовых алгоритмов метода Монте-Карло для решения нелинейных кинетических уравнений // Журнал вычисл. матем. и матем. геофизики. 2007, Т.47, № 12, С. 2110-2121.

[21] Блощицына О.В. Весовой вариант метода мажорантной частоты для приближенного решения нелинейного уравнения коагуляции. Труды конференции молодых ученых, Новосибирск: Издательство ИВМ и МГ СО РАН, 2010, С.3-10.

[22] О.В. Блощицына, C.B. Рогазинский. Весовая модификация метода мажорантной частоты для решения нелинейных кинетических уравнений // Журнал вычисл. матем. и матем. геофизики. 2012, Т.52, № 9, С. 17241734.

[23] Блощицына О.В. Весовая модификация метода мажорантной частоты для решения уравнения Больцмана. Материалы XLV Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс": Математика. Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2007, С.201.

[24] Блощицына О.В. Весовая модификация алгоритма моделирования решения уравнения Больцмана с использованием схемы мажорантной частоты. Материалы XLVI Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс": Математика. Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2008, С.311.