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Symplectic integrator

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6645: 6353: 7009: 4466: 1459: 6348: 4069: 6640:{\displaystyle {\begin{aligned}\Theta _{2}\left(\Delta \tau \right)&=\Theta _{x}\left(\Delta \tau /2\right)\Theta _{y}\left(\Delta \tau /2\right)\Theta _{z}\left(\Delta \tau /2\right)\Theta _{\phi }\left(\Delta \tau \right)\\&\Theta _{z}\left(\Delta t/2\right)\Theta _{y}\left(\Delta t/2\right)\Theta _{x}\left(\Delta t/2\right)\!,\end{aligned}}} 5647: 6708: 5943: 4105:) was also discovered by Ruth in 1983 and distributed privately to the particle-accelerator community at that time. This was described in a lively review article by Forest. This fourth-order integrator was published in 1990 by Forest and Ruth and also independently discovered by two other groups around that same time. 6189: 4111: 1085: 5669:
is a non-constant non-canonical symplectic form. General symplectic integrator for non-constant non-canonical symplectic structure, explicit or implicit, is not known to exist. However, for this specific problem, a family of high-order explicit non-canonical symplectic integrators can be constructed
5480: 5162:
In recent decades symplectic integrator in plasma physics has become an active research topic, because straightforward applications of the standard symplectic methods do not suit the need of large-scale plasma simulations enabled by the peta- to exa-scale computing hardware. Special symplectic
5693: 3848: 2731: 2553: 5163:
algorithms need to be customarily designed, tapping into the special structures of the physics problem under investigation. One such example is the charged particle dynamics in an electromagnetic field. With the canonical symplectic structure, the Hamiltonian of the dynamics is
5473:
are product-separable, 2nd and 3rd order explicit symplectic algorithms can be constructed using generating functions, and arbitrarily high-order explicit symplectic integrators for time-dependent electromagnetic fields can also be constructed using Runge-Kutta techniques.
5252: 190: 4718: 7004:{\displaystyle {\begin{aligned}\Theta _{2(l+1)}(\Delta \tau )&=\Theta _{2l}(\alpha _{l}\Delta \tau )\Theta _{2l}(\beta _{l}\Delta \tau )\Theta _{2l}(\alpha _{l}\Delta \tau )~,\\\alpha _{l}&=1/(2-2^{1/(2l+1)})~,\\\beta _{l}&=1-2\alpha _{l}~.\end{aligned}}} 5298:-dependence are not separable, and standard explicit symplectic methods do not apply. For large-scale simulations on massively parallel clusters, however, explicit methods are preferred. To overcome this difficulty, we can explore the specific way that the 4461:{\displaystyle {\begin{aligned}c_{1}&=c_{4}={\frac {1}{2(2-2^{1/3})}},&c_{2}&=c_{3}={\frac {1-2^{1/3}}{2(2-2^{1/3})}},\\d_{1}&=d_{3}={\frac {1}{2-2^{1/3}}},&d_{2}&=-{\frac {2^{1/3}}{2-2^{1/3}}},\quad d_{4}=0.\end{aligned}}} 1454:{\displaystyle {\begin{aligned}\exp&=\prod _{i=1}^{k}\exp(c_{i}\tau D_{T})\exp(d_{i}\tau D_{V})+O(\tau ^{k+1})\\&=\exp(c_{1}\tau D_{T})\exp(d_{1}\tau D_{V})\dots \exp(c_{k}\tau D_{T})\exp(d_{k}\tau D_{V})+O(\tau ^{k+1}),\end{aligned}}} 5080: 2362: 6104: 6343:{\displaystyle {\begin{aligned}\Theta _{1}\left(\Delta \tau \right)=\Theta _{x}\left(\Delta \tau \right)\Theta _{y}\left(\Delta \tau \right)\Theta _{z}\left(\Delta \tau \right)\Theta _{\phi }\left(\Delta \tau \right)~.\end{aligned}}} 6022: 4064:{\displaystyle {\begin{aligned}c_{1}&=1,&c_{2}&=-{\tfrac {2}{3}},&c_{3}&={\tfrac {2}{3}},\\d_{1}&=-{\tfrac {1}{24}},&d_{2}&={\tfrac {3}{4}},&d_{3}&={\tfrac {7}{24}}.\end{aligned}}} 2115: 3770: 5166: 5642:{\displaystyle i_{({\dot {\boldsymbol {x}}},{\dot {\boldsymbol {v}}})}\Omega =-dH,\ \ \ \Omega =d({\boldsymbol {v}}+{\boldsymbol {A}})\wedge d{\boldsymbol {x}},\ \ \ H={\frac {1}{2}}{\boldsymbol {v}}^{2}+\phi .} 2616: 1876: 2438: 5938:{\displaystyle {\begin{aligned}H&=H_{x}+H_{y}+H_{z}+H_{\phi },\\H_{x}&={\frac {1}{2}}v_{x}^{2},\ \ H_{y}={\frac {1}{2}}v_{y}^{2},\ \ H_{z}={\frac {1}{2}}v_{z}^{2},\ \ H_{\phi }=\phi ,\end{aligned}}} 529:
to denote the canonical coordinates including both the position and momentum coordinates. Then, the set of the Hamilton's equations given in the introduction can be expressed in a single expression as
2830: 1637: 93: 4528: 6713: 6358: 6194: 5698: 5471: 4116: 3853: 1090: 6157: 835: 4857: 3149: 2912: 6106:
the solution map can be written down explicitly and calculated exactly. Then explicit high-order non-canonical symplectic algorithms can be constructed using different compositions. Let
3067: 3633:
Note that the algorithm above does not work if time-reversibility is needed. The algorithm has to be implemented in two parts, one for positive time steps, one for negative time steps.
692: 348:
from the original one. By virtue of these advantages, the SI scheme has been widely applied to the calculations of long-term evolution of chaotic Hamiltonian systems ranging from the
592: 2608: 2430: 1741: 1689: 8014: 7961: 7928: 3808:, the algorithm above is symmetric in time. There are 3 steps to the algorithm, and step 1 and 3 are exactly the same, so the positive time version can be used for negative time. 3380: 6027: 992: 751: 640: 454: 5432: 5410: 5384: 5362: 5340: 5318: 5296: 5274: 3628: 5948: 6184: 4956: 4908: 2001: 1939: 5120: 339: 4961: 881: 2983: 2227: 4475:
can be used. Yoshida, in particular, gives an elegant derivation of coefficients for higher-order integrators. Later on, Blanes and Moan further developed partitioned
3806: 3418: 527: 4753: 4523: 5147: 3541: 3492: 2217: 2190: 1529: 1502: 285: 5667: 3230: 3181: 1069: 6680: 4103: 3840: 3669: 3579: 3514: 3465: 3445: 3313: 3293: 3270: 3250: 3201: 2935: 2151: 1896: 1549: 253: 233: 213: 6703: 7920: 5688: 4490:
To do so, Tao introduced a restraint that binds two copies of phase space together to enable an explicit splitting of such systems. The idea is, instead of
7790:
Glasser, A.; Qin, H. (2022). "A gauge-compatible Hamiltonian splitting algorithm for particle-in-cell simulations using finite element exterior calculus".
7419:
Qin, H.; Liu, J.; Xiao, J. (2016). "Canonical symplectic particle-in-cell method for long-term large-scale simulations of the Vlasov–Maxwell equations".
5342:-dependence are entangled in this Hamiltonian, and try to design a symplectic algorithm just for this or this type of problem. First, we note that the 2011: 7911: 3677: 7379:"A Variational Symplectic Integrator for the Guiding Center Motion of Charged Particles for Long Time Simulations in General Magnetic Fields" 2726:{\displaystyle {\begin{pmatrix}q\\p\end{pmatrix}}\mapsto {\begin{pmatrix}q\\p-\tau d_{i}{\frac {\partial V}{\partial q}}(q)\\\end{pmatrix}}.} 2548:{\displaystyle {\begin{pmatrix}q\\p\end{pmatrix}}\mapsto {\begin{pmatrix}q+\tau c_{i}{\frac {\partial T}{\partial p}}(p)\\p\end{pmatrix}},} 7631:
Xiao, J.; Qin, H.; Liu, J. (2015). "Explicit high-order non-canonical symplectic particle-in-cell algorithms for Vlasov-Maxwell systems".
4862:
The new Hamiltonian is advantageous for explicit symplectic integration, because it can be split into the sum of three sub-Hamiltonians,
1759: 8094: 7979: 32: 7472:
Zhang, R.; Qin, H.; Tang, Y. (2016). "Explicit symplectic algorithms based on generating functions for charged particle dynamics".
4472: 5247:{\displaystyle H({\boldsymbol {p}},{\boldsymbol {x}})={\frac {1}{2}}\left({\boldsymbol {p}}-{\boldsymbol {A}}\right)^{2}+\phi ,} 185:{\displaystyle {\dot {p}}=-{\frac {\partial H}{\partial q}}\quad {\mbox{and}}\quad {\dot {q}}={\frac {\partial H}{\partial p}},} 4713:{\displaystyle {\bar {H}}(q,p,x,y)=H(q,y)+H(x,p)+\omega \left(\left\|q-x\right\|_{2}^{2}/2+\left\|p-y\right\|_{2}^{2}/2\right)} 2750: 7871: 1554: 7684:
Kraus, M; Kormann, K; Morrison, P.; Sonnendrucker, E (2017). "GEMPIC: geometric electromagnetic particle-in-cell methods".
7316:
Tao, Molei (2016). "Explicit symplectic approximation of nonseparable Hamiltonians: Algorithm and long time performance".
7904: 7737:
Xiao, J.; Qin, H.; Liu, J. (2018). "Structure-preserving geometric particle-in-cell methods for Vlasov-Maxwell systems".
5477:
A more elegant and versatile alternative is to look at the following non-canonical symplectic structure of the problem,
5437: 5149:
corresponds to a linear transformation. To symplectically simulate the system, one simply composes these solution maps.
3275:
Several symplectic integrators are given below. An illustrative way to use them is to consider a particle with position
7533:
Tao, M. (2016). "Explicit high-order symplectic integrators for charged particles in general electromagnetic fields".
7852: 7378: 7069: 6109: 768: 699: 8047: 4758: 3073: 2836: 8032: 7164: 2994: 8099: 7897: 8052: 649: 538: 2561: 2383: 1694: 1642: 3321: 7889: 906: 708: 7946: 7240:
Candy, J.; Rozmus, W (1991). "A Symplectic Integration Algorithm for Separable Hamiltonian Functions".
7029: 2917:
Note that due to the definitions adopted above (in the operator version of the explanation), the index
613: 391: 8057: 7864:
Geometric Numerical Integration: Structure-Preserving Algorithms for Ordinary Differential Equations
3587: 2236: 7951: 5415: 5393: 5367: 5345: 5323: 5301: 5279: 5257: 5075:{\displaystyle H_{C}=\omega \left(\left\|q-x\right\|_{2}^{2}/2+\left\|p-y\right\|_{2}^{2}/2\right)} 44: 4913: 4865: 2357:{\displaystyle {\begin{cases}\exp(aD_{T})&=1+aD_{T},\\\exp(aD_{V})&=1+aD_{V}.\end{cases}}} 1964: 1906: 8037: 8027: 7586:
He, Y.; Qin, H.; Sun, Y. (2015). "Hamiltonian integration methods for Vlasov-Maxwell equations".
6162: 5085: 4476: 3552: 364: 312: 299: 84: 56: 856: 8042: 8022: 7034: 2944: 7984: 7941: 3778: 3385: 494: 292: 288: 7011:
The He splitting method is one of key techniques used in the structure-preserving geometric
4723: 4493: 4479:
for the integration of systems with separable Hamiltonians with very small error constants.
8004: 7809: 7756: 7703: 7650: 7552: 7491: 7438: 7335: 7288: 7249: 7214: 7179: 7137: 7094: 6099:{\displaystyle i_{({\dot {\boldsymbol {x}}},{\dot {\boldsymbol {v}}})}\Omega =-dH_{\phi },} 5125: 3519: 3470: 2195: 2168: 1507: 1480: 258: 60: 40: 3206: 3157: 1013: 8: 7999: 5652: 4082: 3819: 3648: 3558: 345: 344:
Symplectic integrators possess, as a conserved quantity, a Hamiltonian which is slightly
72: 7813: 7760: 7707: 7654: 7556: 7495: 7450: 7442: 7339: 7292: 7253: 7218: 7183: 7141: 7098: 6650: 5364:-dependence is quadratic, therefore the first order symplectic Euler method implicit in 4487:
General nonseparable Hamiltonians can also be explicitly and symplectically integrated.
7969: 7825: 7799: 7772: 7746: 7719: 7693: 7666: 7640: 7613: 7595: 7568: 7542: 7515: 7481: 7454: 7428: 7359: 7325: 7110: 7039: 3642: 3499: 3450: 3430: 3298: 3278: 3255: 3235: 3186: 2920: 2136: 1881: 1534: 757: 353: 238: 218: 198: 52: 48: 36: 7301: 7276: 7149: 6186:
denote the exact solution maps for the 4 subsystems. A 1st-order symplectic scheme is
6017:{\displaystyle i_{({\dot {\boldsymbol {x}}},{\dot {\boldsymbol {v}}})}\Omega =-dH_{x}} 3382:
to the particle, carry out the following steps (again, as noted above, with the index
7867: 7848: 7829: 7776: 7617: 7507: 7401: 7351: 7261: 7226: 7191: 7065: 3516:
of the particle by adding to it its acceleration (at updated position) multiplied by
1744: 383:
Assume that the Hamiltonian is separable, meaning that it can be written in the form
360: 303: 7670: 7572: 7458: 7363: 6685: 7994: 7817: 7764: 7723: 7711: 7658: 7605: 7560: 7519: 7499: 7446: 7397: 7393: 7343: 7296: 7257: 7222: 7187: 7145: 7114: 7102: 7012: 5673: 5387: 485: 380:
A widely used class of symplectic integrators is formed by the splitting methods.
341:. A numerical scheme is a symplectic integrator if it also conserves this 2-form. 7989: 7974: 5082:. Exact solutions of all three sub-Hamiltonians can be explicitly obtained: both 695: 643: 68: 5390:(PIC) algorithm. To build high order explicit methods, we further note that the 7768: 7503: 7347: 3842:) was discovered by Ronald Ruth in 1983. One of the many solutions is given by 477: 349: 64: 7821: 7715: 7564: 7277:"Practical symplectic partitioned Runge–Kutta and Runge–Kutta–Nyström methods" 8088: 7106: 2110:{\displaystyle \exp(aD_{T})=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(aD_{T})^{n}}{n!}},} 1958: 7936: 7683: 7511: 7405: 7355: 7205:
Yoshida, H. (1990). "Construction of higher order symplectic integrators".
7128:
Forest, Etienne (2006). "Geometric Integration for Particle Accelerators".
7024: 4482: 3765:{\displaystyle c_{1}=0,\qquad c_{2}=1,\qquad d_{1}=d_{2}={\tfrac {1}{2}}.} 7919: 702:, the expression of the Hamilton's equation can be further simplified to 20: 5122:
solutions correspond to shifts of mismatched position and momentum, and
5386:
is actually explicit. This is what is used in the canonical symplectic
7662: 7609: 1551:
is an integer, which is called the order of the integrator, and where
7086: 7804: 7751: 7698: 7645: 7600: 7547: 7486: 7433: 7330: 1871:{\displaystyle D_{T}^{2}z=\{\{z,T\},T\}=\{({\dot {q}},0),T\}=(0,0)} 3447:
of the particle by adding to it its (previously updated) velocity
255:
is the Hamiltonian. The set of position and momentum coordinates
83:
Symplectic integrators are designed for the numerical solution of
370: 375: 307: 2744:
The simplified form of the equations (in executed order) are:
2350: 756:
The formal solution of this set of equations is given as a
491:
For the notational simplicity, let us introduce the symbol
359:
Most of the usual numerical methods, such as the primitive
7862:
Hairer, Ernst; Lubich, Christian; Wanner, Gerhard (2006).
7064:(1 ed.). Oxford University Press. pp. 121–124. 2736:
Note that both of these maps are practically computable.
2825:{\displaystyle q_{i+1}=q_{i}+c_{i}{\frac {p_{i+1}}{m}}t} 1747:, so their product appearing in the right-hand side of ( 1632:{\textstyle \sum _{i=1}^{k}c_{i}=\sum _{i=1}^{k}d_{i}=1} 7883:
Symplectic geometric algorithms for Hamiltonian systems
5945:
we find serendipitously that for each subsystem, e.g.,
4483:
Splitting methods for general nonseparable Hamiltonians
1010:
The SI scheme approximates the time-evolution operator
472:
This happens frequently in Hamiltonian mechanics, with
7062:
Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation
6688: 6653: 6165: 6112: 5676: 5655: 5440: 5418: 5396: 5370: 5348: 5326: 5304: 5282: 5260: 4043: 4009: 3975: 3936: 3902: 3748: 2654: 2625: 2476: 2447: 1557: 137: 7921:
Numerical methods for ordinary differential equations
6711: 6356: 6192: 6030: 5951: 5696: 5483: 5169: 5128: 5088: 4964: 4916: 4868: 4761: 4726: 4531: 4496: 4114: 4085: 3851: 3822: 3781: 3680: 3651: 3590: 3561: 3522: 3502: 3473: 3453: 3433: 3388: 3324: 3301: 3281: 3258: 3238: 3209: 3189: 3160: 3076: 2997: 2947: 2923: 2839: 2753: 2619: 2564: 2441: 2386: 2230: 2198: 2171: 2139: 2014: 1967: 1909: 1884: 1762: 1697: 1645: 1537: 1510: 1483: 1088: 1016: 909: 859: 771: 711: 652: 616: 541: 497: 394: 315: 261: 241: 221: 201: 96: 7471: 6647:
which is a customarily modified Strang splitting. A
16:
Numerical integration scheme for Hamiltonian systems
5466:{\textstyle H({\boldsymbol {p}},{\boldsymbol {x}})} 352:to the classical and semi-classical simulations in 7861: 7736: 7630: 7418: 7003: 6705:-th order scheme using the method of triple jump, 6697: 6674: 6639: 6342: 6178: 6151: 6098: 6016: 5937: 5682: 5661: 5641: 5465: 5426: 5404: 5378: 5356: 5334: 5312: 5290: 5268: 5246: 5141: 5114: 5074: 4950: 4902: 4851: 4747: 4712: 4517: 4460: 4097: 4063: 3834: 3800: 3764: 3663: 3622: 3573: 3535: 3508: 3486: 3459: 3439: 3412: 3374: 3307: 3287: 3264: 3244: 3224: 3195: 3175: 3143: 3061: 2977: 2929: 2906: 2824: 2725: 2602: 2547: 2424: 2356: 2211: 2184: 2145: 2109: 1995: 1933: 1890: 1870: 1735: 1683: 1631: 1543: 1523: 1496: 1453: 1063: 986: 875: 829: 745: 686: 634: 586: 521: 448: 333: 279: 247: 227: 207: 184: 7274: 6629: 8086: 7585: 7281:Journal of Computational and Applied Mathematics 6152:{\textstyle \Theta _{x},\Theta _{y},\Theta _{z}} 7842: 886:When the Hamiltonian has the form of equation ( 7789: 2988:After converting into Lagrangian coordinates: 830:{\displaystyle z(\tau )=\exp(\tau D_{H})z(0).} 371:Methods for constructing symplectic algorithms 39:. Symplectic integrators form the subclass of 7905: 4852:{\displaystyle q(t)=x(t)=Q(t),p(t)=y(t)=P(t)} 6350:A symmetric 2nd-order symplectic scheme is, 3144:{\displaystyle v_{i+1}=v_{i}+d_{i}a(x_{i})t} 2907:{\displaystyle p_{i+1}=p_{i}+d_{i}F(q_{i})t} 1847: 1814: 1808: 1799: 1787: 1784: 681: 669: 629: 617: 578: 557: 376:Splitting methods for separable Hamiltonians 7376: 7239: 6682:-th order scheme can be constructed from a 3062:{\displaystyle x_{i+1}=x_{i}+c_{i}v_{i+1}t} 306:, meaning that it conserves the symplectic 7912: 7898: 7843:Leimkuhler, Ben; Reich, Sebastian (2005). 7162: 3816:A third-order symplectic integrator (with 646:. Furthermore, by introducing an operator 7803: 7750: 7697: 7644: 7599: 7546: 7485: 7432: 7329: 7300: 7059: 5670:using the He splitting method. Splitting 4074: 3636: 3811: 3546: 2153:is an arbitrary real number. Combining ( 687:{\displaystyle D_{H}\cdot =\{\cdot ,H\}} 7880: 7204: 6057: 6042: 5978: 5963: 5620: 5586: 5572: 5564: 5510: 5495: 5456: 5448: 5420: 5398: 5372: 5350: 5328: 5306: 5284: 5262: 5220: 5212: 5185: 5177: 2165:), and by using the same reasoning for 8087: 7127: 587:{\displaystyle {\dot {z}}=\{z,H(z)\},} 7893: 7165:"Fourth-order symplectic integration" 4720:, whose solution agrees with that of 4471:To determine these coefficients, the 2603:{\displaystyle \exp(d_{i}\tau D_{V})} 2425:{\displaystyle \exp(c_{i}\tau D_{T})} 1753:) also constitutes a symplectic map. 1736:{\displaystyle \exp(d_{i}\tau D_{V})} 1684:{\displaystyle \exp(c_{i}\tau D_{T})} 7275:Blanes, S.; Moan, P. C. (May 2002). 7163:Forest, E.; Ruth, Ronald D. (1990). 7091:IEEE Transactions on Nuclear Science 7084: 5157: 3645:is the second-order integrator with 2221: 2005: 1900: 1079: 900: 762: 532: 385: 7532: 7315: 7087:"A Canonical Integration Technique" 3555:is the first-order integrator with 3375:{\displaystyle c_{1,2,3},d_{1,2,3}} 13: 7881:Kang, Feng; Qin, Mengzhao (2010). 6856: 6831: 6821: 6796: 6786: 6761: 6744: 6717: 6610: 6596: 6576: 6562: 6542: 6528: 6511: 6497: 6477: 6463: 6443: 6429: 6409: 6395: 6376: 6362: 6319: 6305: 6293: 6279: 6267: 6253: 6241: 6227: 6212: 6198: 6167: 6140: 6127: 6114: 6071: 5992: 5656: 5551: 5524: 2694: 2686: 2509: 2501: 2059: 1639:. Note that each of the operators 987:{\displaystyle z(\tau )=\expz(0).} 746:{\displaystyle {\dot {z}}=D_{H}z.} 367:, are not symplectic integrators. 215:denotes the position coordinates, 170: 162: 126: 118: 14: 8111: 635:{\displaystyle \{\cdot ,\cdot \}} 449:{\displaystyle H(p,q)=T(p)+V(q).} 8095:Numerical differential equations 8048:Backward differentiation formula 7535:Journal of Computational Physics 4473:Baker–Campbell–Hausdorff formula 4079:A fourth-order integrator (with 3318:To apply a timestep with values 3272:is the scalar quantity of mass. 7845:Simulating Hamiltonian Dynamics 7783: 7730: 7677: 7624: 7579: 7526: 7465: 7412: 7085:Ruth, Ronald D. (August 1983). 5152: 4437: 3720: 3700: 1077:) by a product of operators as 143: 135: 78: 7847:. Cambridge University Press. 7398:10.1103/PhysRevLett.100.035006 7370: 7309: 7268: 7233: 7198: 7156: 7121: 7078: 7053: 6942: 6937: 6922: 6900: 6862: 6843: 6827: 6808: 6792: 6773: 6750: 6741: 6736: 6724: 6669: 6657: 6066: 6036: 5987: 5957: 5576: 5560: 5519: 5489: 5460: 5444: 5427:{\textstyle {\boldsymbol {x}}} 5405:{\textstyle {\boldsymbol {p}}} 5379:{\textstyle {\boldsymbol {p}}} 5357:{\textstyle {\boldsymbol {p}}} 5335:{\textstyle {\boldsymbol {x}}} 5313:{\textstyle {\boldsymbol {p}}} 5291:{\textstyle {\boldsymbol {x}}} 5269:{\textstyle {\boldsymbol {p}}} 5189: 5173: 5044: 5030: 5002: 4988: 4945: 4933: 4897: 4885: 4846: 4840: 4831: 4825: 4816: 4810: 4801: 4795: 4786: 4780: 4771: 4765: 4742: 4730: 4682: 4668: 4640: 4626: 4610: 4598: 4589: 4577: 4568: 4544: 4538: 4512: 4500: 4285: 4258: 4185: 4158: 3623:{\displaystyle c_{1}=d_{1}=1.} 3232:is the acceleration vector at 3219: 3213: 3170: 3164: 3135: 3122: 2941:when going through the steps ( 2898: 2885: 2709: 2703: 2646: 2597: 2571: 2524: 2518: 2468: 2419: 2393: 2317: 2301: 2261: 2245: 2084: 2067: 2037: 2021: 1990: 1974: 1865: 1853: 1838: 1817: 1730: 1704: 1678: 1652: 1441: 1422: 1413: 1387: 1378: 1352: 1340: 1314: 1305: 1279: 1260: 1241: 1232: 1206: 1197: 1171: 1134: 1131: 1105: 1099: 1058: 1055: 1029: 1023: 978: 972: 966: 963: 937: 931: 919: 913: 821: 815: 809: 793: 781: 775: 575: 569: 516: 504: 440: 434: 425: 419: 410: 398: 274: 262: 235:the momentum coordinates, and 1: 7739:Plasma Science and Technology 7451:10.1088/0029-5515/56/1/014001 7302:10.1016/S0377-0427(01)00492-7 7045: 7262:10.1016/0021-9991(91)90299-Z 7227:10.1016/0375-9601(90)90092-3 7192:10.1016/0167-2789(90)90019-L 6179:{\textstyle \Theta _{\phi }} 4951:{\displaystyle H_{B}=H(x,p)} 4903:{\displaystyle H_{A}=H(q,y)} 2985:for a fourth-order scheme). 1996:{\displaystyle \exp(aD_{T})} 1934:{\displaystyle D_{T}^{2}=0.} 33:numerical integration scheme 7: 8033:List of Runge–Kutta methods 7150:10.1088/0305-4470/39/19/S03 7060:Tuckerman, Mark E. (2010). 7018: 5115:{\displaystyle H_{A},H_{B}} 2739: 2370: 2161: 2155: 2123: 1947: 1749: 1467: 1073: 1000: 894: 888: 883:in the matrix exponential. 843: 600: 462: 334:{\displaystyle dp\wedge dq} 10: 8116: 7504:10.1103/PhysRevE.94.013205 7377:Qin, H.; Guan, X. (2008). 7348:10.1103/PhysRevE.94.043303 7030:Multisymplectic integrator 876:{\displaystyle \tau D_{H}} 47:. They are widely used in 43:which, by definition, are 8066: 8013: 7960: 7927: 7822:10.1017/S0022377822000290 7792:Journal of Plasma Physics 7716:10.1017/S002237781700040X 7686:Journal of Plasma Physics 7565:10.1016/j.jcp.2016.09.047 2978:{\displaystyle i=4,3,2,1} 45:canonical transformations 7866:(2 ed.). Springer. 7769:10.1088/2058-6272/aac3d1 7107:10.1109/TNS.1983.4332919 7093:. NS-30 (4): 2669–2671. 1071:in the formal solution ( 853:Note the positivity of 698:of the operand with the 57:discrete element methods 8038:Linear multistep method 7386:Physical Review Letters 3801:{\displaystyle c_{1}=0} 3553:symplectic Euler method 3413:{\displaystyle i=3,2,1} 3183:is the force vector at 1898:, we can conclude that 522:{\displaystyle z=(q,p)} 8043:General linear methods 8023:Exponential integrator 7035:Variational integrator 7005: 6699: 6676: 6641: 6344: 6180: 6153: 6100: 6018: 5939: 5684: 5663: 5643: 5467: 5428: 5406: 5380: 5358: 5336: 5314: 5292: 5270: 5248: 5143: 5116: 5076: 4952: 4904: 4853: 4749: 4748:{\displaystyle H(Q,P)} 4714: 4519: 4518:{\displaystyle H(Q,P)} 4462: 4099: 4075:A fourth-order example 4065: 3836: 3802: 3766: 3665: 3637:A second-order example 3624: 3575: 3537: 3510: 3488: 3461: 3441: 3420:in decreasing order): 3414: 3376: 3309: 3289: 3266: 3246: 3226: 3197: 3177: 3145: 3063: 2979: 2931: 2908: 2826: 2727: 2604: 2549: 2426: 2358: 2213: 2186: 2147: 2111: 2063: 1997: 1935: 1892: 1872: 1737: 1685: 1633: 1612: 1578: 1545: 1525: 1498: 1455: 1164: 1065: 988: 877: 831: 747: 688: 636: 588: 523: 450: 335: 298:The time evolution of 295:for more background.) 281: 249: 229: 209: 186: 8100:Hamiltonian mechanics 8074:Symplectic integrator 8058:Gauss–Legendre method 7130:J. Phys. A: Math. Gen 7006: 6700: 6677: 6642: 6345: 6181: 6154: 6101: 6019: 5940: 5685: 5664: 5644: 5468: 5429: 5407: 5381: 5359: 5337: 5315: 5293: 5271: 5249: 5144: 5142:{\displaystyle H_{C}} 5117: 5077: 4953: 4905: 4854: 4750: 4715: 4520: 4463: 4100: 4066: 3837: 3812:A third-order example 3803: 3767: 3666: 3625: 3576: 3547:A first-order example 3538: 3536:{\displaystyle d_{i}} 3511: 3489: 3487:{\displaystyle c_{i}} 3462: 3442: 3415: 3377: 3310: 3290: 3267: 3247: 3227: 3198: 3178: 3146: 3064: 2980: 2932: 2909: 2827: 2728: 2605: 2550: 2427: 2359: 2214: 2212:{\displaystyle D_{T}} 2187: 2185:{\displaystyle D_{V}} 2148: 2112: 2043: 1998: 1936: 1893: 1873: 1738: 1686: 1634: 1592: 1558: 1546: 1526: 1524:{\displaystyle d_{i}} 1499: 1497:{\displaystyle c_{i}} 1456: 1144: 1066: 989: 878: 832: 748: 689: 637: 589: 524: 451: 336: 293:Hamiltonian mechanics 289:canonical coordinates 282: 280:{\displaystyle (q,p)} 250: 230: 210: 187: 41:geometric integrators 25:symplectic integrator 8015:Higher-order methods 8005:Leapfrog integration 7962:Second-order methods 6709: 6686: 6651: 6354: 6190: 6163: 6110: 6028: 5949: 5694: 5674: 5662:{\textstyle \Omega } 5653: 5481: 5438: 5434:-dependence in this 5416: 5394: 5368: 5346: 5324: 5302: 5280: 5258: 5167: 5126: 5086: 4962: 4914: 4866: 4759: 4724: 4529: 4494: 4112: 4083: 3849: 3820: 3779: 3678: 3649: 3588: 3559: 3520: 3500: 3496:Update the velocity 3471: 3451: 3431: 3427:Update the position 3386: 3322: 3299: 3279: 3256: 3236: 3225:{\displaystyle a(x)} 3207: 3187: 3176:{\displaystyle F(x)} 3158: 3074: 2995: 2945: 2921: 2837: 2751: 2617: 2562: 2439: 2384: 2228: 2196: 2192:as we have used for 2169: 2137: 2012: 2003:can be expressed as 1965: 1907: 1882: 1760: 1695: 1643: 1555: 1535: 1508: 1481: 1086: 1064:{\displaystyle \exp} 1014: 907: 857: 769: 709: 650: 614: 539: 495: 392: 313: 300:Hamilton's equations 259: 239: 219: 199: 94: 85:Hamilton's equations 8028:Runge–Kutta methods 8000:Newmark-beta method 7947:Semi-implicit Euler 7929:First-order methods 7814:2022JPlPh..88b8302G 7761:2018PlST...20k0501X 7708:2017JPlPh..83d9001K 7655:2015PhPl...22k2504X 7557:2016JCoPh.327..245T 7496:2016PhRvE..94a3205Z 7443:2016NucFu..56a4001Q 7340:2016PhRvE..94d3303T 7293:2002JCoAM.142..313B 7254:1991JCoPh..92..230C 7219:1990PhLA..150..262Y 7184:1990PhyD...43..105F 7142:2006JPhA...39.5321F 7099:1983ITNS...30.2669R 6675:{\textstyle 2(l+1)} 5902: 5855: 5808: 5058: 5016: 4696: 4654: 4477:Runge–Kutta methods 4098:{\displaystyle k=4} 3835:{\displaystyle k=3} 3664:{\displaystyle k=2} 3574:{\displaystyle k=1} 2380:In concrete terms, 1924: 1777: 898:) is equivalent to 73:celestial mechanics 61:accelerator physics 37:Hamiltonian systems 7985:Beeman's algorithm 7970:Verlet integration 7633:Physics of Plasmas 7588:Physics of Plasmas 7040:Verlet integration 7015:(PIC) algorithms. 7001: 6999: 6695: 6672: 6637: 6635: 6340: 6338: 6176: 6149: 6096: 6014: 5935: 5933: 5888: 5841: 5794: 5680: 5659: 5639: 5463: 5424: 5402: 5376: 5354: 5332: 5310: 5288: 5266: 5244: 5139: 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122:H 110:= 101:p 27:(

Index

mathematics
numerical integration scheme
Hamiltonian systems
geometric integrators
canonical transformations
nonlinear dynamics
molecular dynamics
discrete element methods
accelerator physics
plasma physics
quantum physics
celestial mechanics
Hamilton's equations
canonical coordinates
Hamiltonian mechanics
Hamilton's equations
symplectomorphism
2-form
perturbed
Kepler problem
molecular dynamics
Euler scheme
Runge–Kutta scheme
kinetic energy
potential energy
Poisson bracket
Poisson bracket
Hamiltonian
matrix exponential
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