Simulating Hamiltonian Dynamics

Author: Benedict Leimkuhler,Sebastian Reich

Publisher: Cambridge University Press

ISBN: 9780521772907

Category: Mathematics

Page: 379

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Geometric integrators are time-stepping methods, designed such that they exactly satisfy conservation laws, symmetries or symplectic properties of a system of differential equations. In this book the authors outline the principles of geometric integration and demonstrate how they can be applied to provide efficient numerical methods for simulating conservative models. Beginning from basic principles and continuing with discussions regarding the advantageous properties of such schemes, the book introduces methods for the N-body problem, systems with holonomic constraints, and rigid bodies. More advanced topics treated include high-order and variable stepsize methods, schemes for treating problems involving multiple time-scales, and applications to molecular dynamics and partial differential equations. The emphasis is on providing a unified theoretical framework as well as a practical guide for users. The inclusion of examples, background material and exercises enhance the usefulness of the book for self-instruction or as a text for a graduate course on the subject.

Symmetries and Integrability of Difference Equations

Lecture Notes of the Abecederian School of SIDE 12, Montreal 2016

Author: Decio Levi,Raphaël Rebelo,Pavel Winternitz

Publisher: Springer

ISBN: 3319566660

Category: Science

Page: 435

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This book shows how Lie group and integrability techniques, originally developed for differential equations, have been adapted to the case of difference equations. Difference equations are playing an increasingly important role in the natural sciences. Indeed, many phenomena are inherently discrete and thus naturally described by difference equations. More fundamentally, in subatomic physics, space-time may actually be discrete. Differential equations would then just be approximations of more basic discrete ones. Moreover, when using differential equations to analyze continuous processes, it is often necessary to resort to numerical methods. This always involves a discretization of the differential equations involved, thus replacing them by difference ones. Each of the nine peer-reviewed chapters in this volume serves as a self-contained treatment of a topic, containing introductory material as well as the latest research results and exercises. Each chapter is presented by one or more early career researchers in the specific field of their expertise and, in turn, written for early career researchers. As a survey of the current state of the art, this book will serve as a valuable reference and is particularly well suited as an introduction to the field of symmetries and integrability of difference equations. Therefore, the book will be welcomed by advanced undergraduate and graduate students as well as by more advanced researchers.

Mathematics and Computation, a Contemporary View

The Abel Symposium 2006

Author: Hans Munthe-Kaas,Brynjulf Owren

Publisher: Springer Science & Business Media

ISBN: 3540688501

Category: Mathematics

Page: 127

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The 2006 Abel symposium is focusing on contemporary research involving interaction between computer science, computational science and mathematics. In recent years, computation has been affecting pure mathematics in fundamental ways. Conversely, ideas and methods of pure mathematics are becoming increasingly important within computational and applied mathematics. At the core of computer science is the study of computability and complexity for discrete mathematical structures. Studying the foundations of computational mathematics raises similar questions concerning continuous mathematical structures. There are several reasons for these developments. The exponential growth of computing power is bringing computational methods into ever new application areas. Equally important is the advance of software and programming languages, which to an increasing degree allows the representation of abstract mathematical structures in program code. Symbolic computing is bringing algorithms from mathematical analysis into the hands of pure and applied mathematicians, and the combination of symbolic and numerical techniques is becoming increasingly important both in computational science and in areas of pure mathematics.

Global Formulations of Lagrangian and Hamiltonian Dynamics on Manifolds

A Geometric Approach to Modeling and Analysis

Author: Taeyoung Lee,Melvin Leok,N. Harris McClamroch

Publisher: Springer

ISBN: 3319569538

Category: Mathematics

Page: 539

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This book provides an accessible introduction to the variational formulation of Lagrangian and Hamiltonian mechanics, with a novel emphasis on global descriptions of the dynamics, which is a significant conceptual departure from more traditional approaches based on the use of local coordinates on the configuration manifold. In particular, we introduce a general methodology for obtaining globally valid equations of motion on configuration manifolds that are Lie groups, homogeneous spaces, and embedded manifolds, thereby avoiding the difficulties associated with coordinate singularities. The material is presented in an approachable fashion by considering concrete configuration manifolds of increasing complexity, which then motivates and naturally leads to the more general formulation that follows. Understanding of the material is enhanced by numerous in-depth examples throughout the book, culminating in non-trivial applications involving multi-body systems. This book is written for a general audience of mathematicians, engineers, and physicists with a basic knowledge of mechanics. Some basic background in differential geometry is helpful, but not essential, as the relevant concepts are introduced in the book, thereby making the material accessible to a broad audience, and suitable for either self-study or as the basis for a graduate course in applied mathematics, engineering, or physics.

Structure-Preserving Algorithms for Oscillatory Differential Equations

Author: Xinyuan Wu,Xiong You,Bin Wang

Publisher: Springer Science & Business Media

ISBN: 364235338X

Category: Mathematics

Page: 236

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Structure-Preserving Algorithms for Oscillatory Differential Equations describes a large number of highly effective and efficient structure-preserving algorithms for second-order oscillatory differential equations by using theoretical analysis and numerical validation. Structure-preserving algorithms for differential equations, especially for oscillatory differential equations, play an important role in the accurate simulation of oscillatory problems in applied sciences and engineering. The book discusses novel advances in the ARKN, ERKN, two-step ERKN, Falkner-type and energy-preserving methods, etc. for oscillatory differential equations. The work is intended for scientists, engineers, teachers and students who are interested in structure-preserving algorithms for differential equations. Xinyuan Wu is a professor at Nanjing University; Xiong You is an associate professor at Nanjing Agricultural University; Bin Wang is a joint Ph.D student of Nanjing University and University of Cambridge.

Spaceflight Mechanics

Proceedings of the AAS/AIAA Spaceflight Mechanics Meeting

Author: Srinivas Rao Vadali

Publisher: N.A

ISBN: 9780877035282

Category: Orbital mechanics

Page: 2262

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Einführung in die Mechanik und Symmetrie

Eine grundlegende Darstellung klassischer mechanischer Systeme

Author: Jerrold E. Marsden,Tudor S. Ratiu

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3642568599

Category: Mathematics

Page: 598

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Symmetrie spielt in der Mechanik eine große Rolle. Dieses Buch beschreibt die Entwicklung zugrunde liegender Theorien. Besonderes Gewicht wird der Symmetrie beigemessen. Ursache hierfür sind Entwicklungen im Bereich dynamischer Systeme, der Einsatz geometrischer Verfahren und neue Anwendungen. Dieses Lehrbuch stellt Grundlagen bereit und beschreibt zahlreiche spezifische Anwendungen. Interessant für Physiker und Ingenieure. Ausgewählte Beispiele, Anwendungen, aktuelle Verfahren/Techniken veranschaulichen die Theorie.

Level Set Methods and Fast Marching Methods

Evolving Interfaces in Computational Geometry, Fluid Mechanics, Computer Vision, and Materials Science

Author: J. A. Sethian

Publisher: Cambridge University Press

ISBN: 9780521645577

Category: Computers

Page: 378

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This new edition is an introduction to level set methods and fast marching methods.

Distributionen Und Hilbertraumoperatoren

Mathematische Methoden Der Physik

Author: Philippe Blanchard,Erwin Brüning

Publisher: Springer

ISBN: 9783211825075

Category: Science

Page: 375

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Das Buch bietet eine Einführung in die zum Studium der Theoretischen Physik notwendigen mathematischen Grundlagen. Der erste Teil des Buches beschäftigt sich mit der Theorie der Distributionen und vermittelt daneben einige Grundbegriffe der linearen Funktionalanalysis. Der zweite Teil baut darauf auf und gibt eine auf das Wesentliche beschränkte Einführung in die Theorie der linearen Operatoren in Hilbert-Räumen. Beide Teile werden von je einer Übersicht begleitet, die die zentralen Ideen und Begriffe knapp erläutert und den Inhalt kurz beschreibt. In den Anhängen werden einige grundlegende Konstruktionen und Konzepte der Funktionalanalysis dargestellt und wichtige Konsequenzen entwickelt.

Finite Elemente

Theorie, schnelle Löser und Anwendungen in der Elastizitätstheorie

Author: Dietrich Braess

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3662072335

Category: Technology & Engineering

Page: 320

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Diese völlig überarbeitete Neuauflage bietet dem Leser eine gründliche Einführung in die Methode der Finiten Elemente, welche heute verstärkt zur numerischen Lösung von partiellen Differentialgleichungen eingesetzt werden. Die Theorie wird so weit entwickelt, daß der Leser mit Kenntnissen aus den Grundvorlesungen des Mathematikstudiums auskommt. Dem für die Praxis relevanten Mehrgitterverfahren und der Methode der konjugierten Gradienten wird ein breiter Platz eingeräumt. Ausführlich wird die Strukturmechanik als ein wichtiger und typischer Anwendungsbereich für Finite Elemente behandelt. Da dieser Aspekt in anderen Lehrbüchern kaum Berücksichtigung findet, wurde er in der Neuauflage stark überarbeitet und abgerundet. Als weitere Ergänzung ist vor allem die Diskussion von a posteriori Schätzern zu nennen.

Stochastische Methoden des Operations Research

Author: N.A

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3663115283

Category: Technology & Engineering

Page: 193

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Operations Research befaßt sich mit der mathematischen Analyse technisch-wirtschaft licher Probleme und Systeme. Man hat es dabei immer mit mehr oder weniger ausge prägten Unsicherheiten und Ungewißheiten zu tun. Oft kann man die Unsicherheiten vernachlässigen und mit Schätzungen, mittleren oder erwarteten Werten arbeiten. Es gibt jedoch Probleme, deren Wesen gerade durch den Zufall bestimmt ist. Man würde den Kern des Problems nicht treffen, wollte man versuchen, den Zufallsfaktor zu eli minieren. In solchen Fällen muß das Problem mit wahrscheinlichkeitstheoretischen oder stochastischen Methoden angepackt werden. Man hat es dabei fast immer mit dynamischen, zeitlichen Abläufen zu tun. Die Pro bleme fallen daher in das Gebiet der stochastischen Prozesse. Die grundlegenden Instru mente zur Behandlung der stochastischen Probleme des Operations Research bilden die Erneuerungstheorie und die Theorie der Markoff-Ketten (Kapitel 2 und 3). Wichtige Anwendungen davon treten bei den Warteschlangensystemen (Kapitel4) und der dyna mischen Optimierung (Kapitel 5) auf. Von vorrangiger, praktischer Bedeutung ist die numerische Behandlung der stochastischen Probleme des Operations Research. Hierflir legen die Simulations-und Monte-Cario-Methoden (Kapitel 6) weitreichende Ansätze bereit. Es wird hier keinesfalls eine umfassende, vollständige Darstellung der einzelnen Gebiete angestrebt. Im Vordergrund steht vielmehr eine Einführung in die wichtigsten, ftir die jeweiligen Problemkreise charakteristischen Gedankengänge. Selbstverständlich beruhen die dargestellten stochastischen Methoden auf der allgemeinen Wahrscheinlichkeits theorie. Daher ist im Kapitell eine knapp gehaltene Einführung in die Wahrscheinlich keitstheorie vorangestellt, die deren wesentlichsten Ergebnisse enthält, wobei zum größten Teil auf die Beweise verzichtet wurde. Der Leser, der mit der Wahrscheinlich keitstheorie vertraut ist, kann dieses Kapitel überspringen.

Methoden der Quantenmechanik mit Mathematica®

Author: James M. Feagin

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3662087030

Category: Science

Page: 540

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Methoden der Quantenmechanik mit Mathematica wendet sich an interessierte Studenten der Physik und Mathematik, die Zugang zu Mathematica haben und dieses umfassende Computer-Algebra-System konsequent auf quantenmechanische Probleme anwenden wollen. Das Buch schöpft die symbolischen, numerischen und grafischen Möglichkeiten von Mathematica voll aus und bietet einen einzigartigen Zugang zur modernen Quantenmechanik. Die 3 1/2" Begleitdiskette enthält sämtliche Mathematica Eingabezeilen sowie die Ergänzungsangaben im Text, so daß der Anwender alle mathematischen Rechenschritte im Buch gleich auf dem Computer nachvollziehen kann. Die Diskette ist für alle IBM -kompatible Systeme sowie für Macintosh und UNIX geeignet.

Kompendium Systembiologie

Mathematische Modellierung und Modellanalyse

Author: Andreas Kremling

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3834886076

Category: Science

Page: 300

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Das Buch beschreibt die Grundlagen der mathematischen Modellierung zellulärer Systeme. Nach einer Klassifikation von Modellen wird schwerpunktmäßig auf deterministische Modelle eingegangen und für alle relevanten zellulären Prozesse entsprechende Gleichungen angegeben. Anschließend werden eine Reihe von Verfahren zur Modellanalyse vorgestellt. Etwas kürzer werden Verfahren zum Reverse Engineering und zur Analyse von Netzwerkgraphen abgehandelt. Am Ende werden noch Verfahren der Parameteridentifikation besprochen.

Mathematisches Denken

Vom Vergnügen am Umgang mit Zahlen

Author: T.W. Körner

Publisher: Springer-Verlag

ISBN: 3034850018

Category: Science

Page: 719

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Dieses Buch wendet sich zuallererst an intelligente Schüler ab 14 Jahren sowie an Studienanfänger, die sich für Mathematik interessieren und etwas mehr als die Anfangsgründe dieser Wissenschaft kennenlernen möchten. Es gibt inzwischen mehrere Bücher, die eine ähnliche Zielstellung verfolgen. Besonders gern erinnere ich mich an das Werk Vom Einmaleins zum Integral von Colerus, das ich in meiner Kindheit las. Es beginnt mit der folgenden entschiedenen Feststellung: Die Mathematik ist eine Mausefalle. Wer einmal in dieser Falle gefangen sitzt, findet selten den Ausgang, der zurück in seinen vormathematischen Seelenzustand leitet. ([49], S. 7) Einige dieser Bücher sind im Anhang zusammengestellt und kommen tiert. Tatsächlich ist das Unternehmen aber so lohnenswert und die Anzahl der schon vorhandenen Bücher doch so begrenzt, daß ich mich nicht scheue, ihnen ein weiteres hinzuzufügen. An zahlreichen amerikanischen Universitäten gibt es Vorlesungen, die gemeinhin oder auch offiziell als ,,Mathematik für Schöngeister'' firmieren. Dieser Kategorie ist das vorliegende Buch nicht zuzuordnen. Statt dessen soll es sich um eine ,,Mathematik für Mathematiker'' handeln, für Mathema tiker freilich, die noch sehr wenig von der Mathematik verstehen. Weshalb aber sollte nicht der eine oder andere von ihnen eines Tages den Autor dieses 1 Buches durch seine Vorlesungen in Staunen versetzen? Ich hoffe, daß auch meine Mathematikerkollegen Freude an dem Werk haben werden, und ich würde mir wünschen, daß auch andere Leser, bei denen die Wertschätzung für die Mathematik stärker als die Furcht vor ihr ist, Gefallen an ihm finden mögen.