Solving differential-algebraic equation systems with Pade approximation of matrix exponent

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A set of new numerical methods for solving linear differential-algebraic equation systems is developed. Homogenous systems can be solved, and nonhomogeneous systems with piecewise-polynomial right-hand side function. Calculation of system state at each integration step requires solving one or several (depending on the method order) systems of linear algebraic equations. The methods are based on decomposition of Pade approximation of the matrix exponent to simplest fractions. The proposed formulas make possible to avoid conversion of the differential-algebraic equation system to the ordinary differential equation system at the stage of system solving. The new methods are equivalent to some well-known Runge-Kutta type methods like Radau and Lobatto methods in terms of accuracy and steady areas. However, new methods are much more simple in theory and practical implementation, and they require several times less computational work. Methods with diagonal Pade approximations are A-stable, and methods with subdiagonal Pade approximations are L-stable. New methods can be used for solving stiff, oscillative and stiff-oscillative systems.

About the authors

Yuri A. Burtsev

Platov South-Russian State Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: proton36@yandex.ru

Philosophy doctor, senior lecturer. Scientific interests: Numerical methods for solving systems of ordinary differential equations and systems of differential-algebraic equations, theory of electrical circuits. 

Russian Federation, Novocherkassk

References

  1. Burtsev Y.A. Solving of Cauchy Problem with High Precision Methods Based on Matrix Exponent // Trudy Instituta sistemnogo analiza Rossiyskoy akademii nauk (ISA RAN) (Proceedings of the Institute for Systems Analysis Russian Academy of Sciences (ISA RAS)). 2024; 1:3-11 (In Russ.).
  2. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II. Stiff and Differential-Algebraic Problems. Second Revised Edition. Springer Verlag Berlin Heidelberg; 1991, 1996. 685 р.
  3. Gridin V.N., Mikhajlov V.B., Shusterman L.B. Numerical-analytical modelling of radioelectronic schemes. Moscow: Science Publishing; 2008. 339
  4. p. (In Russ.)
  5. Burtsev Y.A. Comparing of Program for Calculation of Electrical Circuits Based on Modified Table Method with Known Analogs. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektromekhanika (Russian Electromechanics). 2013; 4:8-13 (In Russ).
  6. Boyarintsev Y.E., Korsukov V.M. Applying of Finite- difference Methods to Solving Regular Systems of Ordinary Differential Equations // Voprosy prikladnoj matematiki (Questions of Applied Mathematic. Irkutsk: Publishing of Siberian Energy Institute, Siberian Section of Academy of Sciences of the USSR), 1975. (In Russ.)
  7. Boyarintsev Y.E. Regular and Singular Systems of Linear Ordinary Differential Equations. Novosibirsk: Science Publishing, Siberian Section; 1980. 222 p. (In Russ.)
  8. Boyarintsev Y.E. Methods for Solving of Degenerate Systems of Ordinary Differential Equations. Novosibirsk: Science Publishing, 1988. 158 p. (In Russ.)
  9. Boyarintsev Y.E. Algebro-Differential Systems: Methods of Solving and Research. Novosibirsk: Science Publishing, 1998. 224 p. (In Russ.)
  10. Boyarintsev Y.E. Linear and Non-linear Algebro- Differential Systems. Novosibirsk: Science Publishing, 2000. 222 p. (In Russ.)
  11. Boyarintsev Y.E., Orlova I.V. Sheaves of Matrixes and Algebro-Differential Systems. Novosibirsk: Science Publishing, 2006. 124 p. (In Russ.)
  12. Petzsold L. Differential/Algebraic Equations are not ODE’S. SIAM Journal of Scientific and Statistical Computing. Vol. 3, No. 3, September 1982.
  13. Kurina G.A. New Algorithm for Constructing Asymptotic Solution of Singular Indignant Problems of Optimal Control with Intersecting Trajectories of degenerate State Equation. // Prikladnaya Matematika & Fizika (Applied Mathematics and Physics, 2023, vol. 55, # 4, p. 313-329.) (In Russ.)
  14. Kurina G.A. Projector Approach to Butuzov- Nefedov Algorithm for Asymptotic Solution of One Class Singular Indignant Tasks in Critical Case // Zhurnal vychislitelnoj matematiki i matematicheskoj fiziki (Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2020, vol. 60, # 12, p. 2073-2084.) (In Russ.)
  15. Skvortsov L.M. Numerical solving of ordinary differential and differential-algebraic equations. Moscow: DMK Press Publishing; 2018. 230 p. (In Russ.)
  16. Burtsev Y.A. High Precision Methods Based on Pade Approximation of Matrix Exponent for Numerical Analysis of Stiff-Oscillatory Electrical Circuits. Proceedings - 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2020; IEEE inc.
  17. Baker G.A. Jr., Graves-Morris P. Pade approximants. London: Addison-Wesley Publishing Company; 1981. 502 p.
  18. Gantmaher F.R. Theory of Matrixes. Second Edition, Expanded. Moscow: Science; 1966. 576 p. (In Russ)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».