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,s, then the partitioned Runge-Kutta method conserves quadratic invariants of the formQ(p,q

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Academic year: 2022

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Fakultät für Mathematik Institut für Angewandte und Numerische Mathematik

Dr. David Cohen Dr. Julia Schweitzer

Geometric Numerical Integration, Serie 3 22.5.2012

Exercise 8: Prove the following corollary from the lecture:

A partitioned Runge-Kutta scheme for

(p˙= f(p,q)

˙

q=g(p,q)

conserves linear invariantsI(p,q) =dT1p+dT2qwith constant vectorsdi, ifbi =bˆior ifI(p,q)only depends on porq.

Exercise 9: Prove the following theorem from the lecture:

If the coefficients of a partitioned Runge-Kutta method satisfy biij+bˆjaji=bij,

bi=bˆi

fori,j=1, . . . ,s, then the partitioned Runge-Kutta method conserves quadratic invariants of the formQ(p,q) = pTDqfor an arbitrary (constant) matrixDof the proper dimensions.

Exercise 10:

Show that the symplectic Euler scheme conserves quadratic invariants of the form Q(p,q) = pTDqfor an arbitrary (constant) matrixDof the proper dimensions.

Programming Exercise 4: Lotka-Volterra Problem We consider the following problem

˙

u=u(v−2),

˙

v=v(1−u).

(a) Compute numerical approximations to the exact solution on the interval[0, 24]using the time step size h=0.12 and employing

(i) the explicit Euler method with starting value(u(0),v(0)) = (2, 2), (ii) the implicit Euler method with starting value(u(0),v(0)) = (4, 8),

(iii) the symplectic Euler method with starting values(u(0),v(0)) = (4, 2)and(u(0),v(0)) = (6, 2). (b) Plot a phase diagram of the solutions obtained from part (a). Namely plot the second componentvversus

the first componentu. Specifically mark the initial values in the diagram.

(c) Show thatI(u,v) =ln(u)−u+2 ln(v)−vis an invariant for the above problem. What do you observe for the numerical solutions?

Discussion in the exercise class on 31.5.2012.

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