Stiffly accurate Runge-Kutta methods for stiff stochastic differential equations

In this paper we discuss implicit methods based on stiffly accurate Runge-Kutta methods and splitting techniques for solving Stratonovich stochastic differential equations (SDEs). Two splitting techniques: the balanced splitting technique and the deterministic splitting technique, are used in this paper. We construct a two-stage implicit Runge-Kutta method with strong order 1.0 which is corrected twice and no update is needed. The stability properties and numerical results show that this approach is suitable for solving stiff SDEs. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Predictor-corrector methods of Runge-Kutta type for stochastic differential equations

In this paper we construct predictor-corrector (PC) methods based on the trivial predictor and stochastic implicit Runge-Kutta (RK) correctors for solving stochastic differential equations. Using the colored rooted tree theory and stochastic B-series, the order condition theorem is derived for constructing stochastic RK methods based on PC implementations. We also present detailed order conditions of the PC methods using stochastic implicit RK correctors with strong global order 1.0 and 1.5. A two-stage implicit RK method with strong global order 1.0 and a four-stage implicit RK method with strong global order 1.5 used as the correctors are constructed in this paper. The mean-square stability properties and numerical results of the PC methods based on these two implicit RK correctors are reported.

A four-stage index 2 Diagonally Implicit Runge-Kutta method

High index Differential Algebraic Equations (DAEs) force standard numerical methods to lower order. Implicit Runge-Kutta methods such as RADAU5 handle high index problems but their fully implicit structure creates significant overhead costs for large problems. Singly Diagonally Implicit Runge-Kutta (SDIRK) methods offer lower costs for integration. This paper derives a four-stage, index 2 Explicit Singly Diagonally Implicit Runge-Kutta (ESDIRK) method. By introducing an explicit first stage, the method achieves second order stage calculations. After deriving and solving appropriate order conditions., numerical examples are used to test the proposed method using fixed and variable step size implementations. (C) 2001 IMACS. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Runge-Kutta IMEX schemes for the Horizontally Explicit/Vertically Implicit (HEVI) solution of wave equations

Many operational weather forecasting centres use semi-implicit time-stepping schemes because of their good efficiency. However, as computers become ever more parallel, horizontally explicit solutions of the equations of atmospheric motion might become an attractive alternative due to the additional inter-processor communication of implicit methods. Implicit and explicit (IMEX) time-stepping schemes have long been combined in models of the atmosphere using semi-implicit, split-explicit or HEVI splitting. However, most studies of the accuracy and stability of IMEX schemes have been limited to the parabolic case of advection–diffusion equations. We demonstrate how a number of Runge–Kutta IMEX schemes can be used to solve hyperbolic wave equations either semi-implicitly or HEVI. A new form of HEVI splitting is proposed, UfPreb, which dramatically improves accuracy and stability of simulations of gravity waves in stratified flow. As a consequence it is found that there are HEVI schemes that do not lose accuracy in comparison to semi-implicit ones. The stability limits of a number of variations of trapezoidal implicit and some Runge–Kutta IMEX schemes are found and the schemes are tested on two vertical slice cases using the compressible Boussinesq equations split into various combinations of implicit and explicit terms. Some of the Runge–Kutta schemes are found to be beneficial over trapezoidal, especially since they damp high frequencies without dropping to first-order accuracy. We test schemes that are not formally accurate for stiff systems but in stiff limits (nearly incompressible) and find that they can perform well. The scheme ARK2(2,3,2) performs the best in the tests.

Simulation of dynamic pinion course using Runge-Kutta's method and impact modeling

Once defined the relationship between the Starter Motor components and their functions, it is possible to develop a mathematical model capable to predict the Starter behavior during operation. One important aspect is the engagement system behavior. The development of a mathematical tool capable of predicting it is a valuable step in order to reduce the design time, cost and engineering efforts. A mathematical model, represented by differential equations, can be developed using physics laws, evaluating force balance and energy flow through the systems degrees of freedom. Another important physical aspect to be considered in this modeling is the impact conditions (particularly on the pinion and ring-gear contact). This work is a report of those equations application on available mathematical software and the resolution of those equations by Runge-Kutta's numerical integration method, in order to build an accessible engineering tool. Copyright © 2011 SAE International.

Uma abordagem para problemas e controle ótimo via métodos de Runge-Kutta e análise de erro

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Runge-Kutta starters for multistep methods /

"Supported in part by the U.S. Department of Energy under contract US ENERGY/EY-76-S-02-2383."

Implicit stochastic Runge-Kutta methods for stochastic differential equations

In this paper we construct implicit stochastic Runge-Kutta (SRK) methods for solving stochastic differential equations of Stratonovich type. Instead of using the increment of a Wiener process, modified random variables are used. We give convergence conditions of the SRK methods with these modified random variables. In particular, the truncated random variable is used. We present a two-stage stiffly accurate diagonal implicit SRK (SADISRK2) method with strong order 1.0 which has better numerical behaviour than extant methods. We also construct a five-stage diagonal implicit SRK method and a six-stage stiffly accurate diagonal implicit SRK method with strong order 1.5. The mean-square and asymptotic stability properties of the trapezoidal method and the SADISRK2 method are analysed and compared with an explicit method and a semi-implicit method. Numerical results are reported for confirming convergence properties and for comparing the numerical behaviour of these methods.

On functionally-fitted Runge-Kutta methods

Functionally-fitted methods are generalizations of collocation techniques to integrate an equation exactly if its solution is a linear combination of a chosen set of basis functions. When these basis functions are chosen as the power functions, we recover classical algebraic collocation methods. This paper shows that functionally-fitted methods can be derived with less restrictive conditions than previously stated in the literature, and that other related results can be derived in a much more elegant way. The novelty in our approach is to fully retain the collocation framework without reverting back into derivations based on cumbersome Taylor series expansions.

Analysis of trigonometric implicit Runge-Kutta methods

Using generalized collocation techniques based on fitting functions that are trigonometric (rather than algebraic as in classical integrators), we develop a new class of multistage, one-step, variable stepsize, and variable coefficients implicit Runge-Kutta methods to solve oscillatory ODE problems. The coefficients of the methods are functions of the frequency and the stepsize. We refer to this class as trigonometric implicit Runge-Kutta (TIRK) methods. They integrate an equation exactly if its solution is a trigonometric polynomial with a known frequency. We characterize the order and A-stability of the methods and establish results similar to that of classical algebraic collocation RK methods. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Simulation de la nage anguilliforme

Ce document traite premièrement des diverses tentatives de modélisation et de simulation de la nage anguilliforme puis élabore une nouvelle technique, basée sur la méthode de la frontière immergée généralisée et la théorie des poutres de Reissner-Simo. Cette dernière, comme les équations des fluides polaires, est dérivée de la mécanique des milieux continus puis les équations obtenues sont discrétisées afin de les amener à une résolution numérique. Pour la première fois, la théorie des schémas de Runge-Kutta additifs est combinée à celle des schémas de Runge-Kutta-Munthe-Kaas pour engendrer une méthode d’ordre de convergence formel arbitraire. De plus, les opérations d’interpolation et d’étalement sont traitées d’un nouveau point de vue qui suggère l’usage des splines interpolatoires nodales en lieu et place des fonctions d’étalement traditionnelles. Enfin, de nombreuses vérifications numériques sont faites avant de considérer les simulations de la nage.

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.

Évaluation in silico des pompes d’assistance ventriculaire de type écoulement mixte

L'insuffisance cardiaque est une maladie à grande incidence dont le traitement définitif est difficile. Les pompes d'assistance ventriculaire ont été proposées comme thérapie alternative à long terme, mais la technologie est relativement jeune et selon son design, axial ou centrifuge, le dispositif favorise soit l'hémolyse, soit la stagnation de l'écoulement sanguin. Les pompes à écoulement mixte, combinant certaines propriétés des deux types, ont été proposées comme solution intermédiaire. Pour évaluer leurs performances, nous avons effectué des comparaisons numériques entre huit pompes, deux axiales, deux centrifuges, et quatre mixtes, en employant un modèle Windkessel du système cardiovasculaire avec paramètres optimisés pour l'insuffisance cardiaque résolu avec une méthode Radau IIA3, une méthode de résolution de système d'équations différentielles ordinaires L-stable appartenant à la famille des méthodes Runge-Kutta implicites. Nos résultats semblent suggérer que les pompes d'assistance mixtes ne démontrent qu'un léger avantage comparativement aux autres types en terme de performance optimale dans le cas de l'insuffisance cardiaque, mais il faudrait effectuer plus d'essais numériques avec un modèle plus complet, entre autres avec contrôles nerveux implémentés.