Zaman boyutu neden özel?


24

Genel olarak konuşursak, sayısal analistlerin şunu söylediğini söylemiştim.

"Tabii ki, matematiksel olarak zaman sadece başka boyuttur, ama yine de, zaman olduğunu özel"

Bunu doğrulamak nasıl? Hesaplamalı bilim için zaman hangi anlamda özeldir?

Ayrıca, neden bu kadar sık ​​sık uzaysal boyutlar için sonlu farklar, sonlu elemanlar, spektral yöntemler, ... uygularken, zaman boyutu için sonlu farkları ("zaman adımlamaya" yol açan) kullanmayı tercih ediyoruz? Bunun olası bir nedeni, zaman boyutunda bir IVP'ye ve uzaysal boyutlarda bir BVP'ye sahip olma eğiliminde olmamızdır. Ancak bunun tamamen haklı olduğunu sanmıyorum.

Yanıtlar:


23

Nedensellik, bilginin yalnızca zaman içinde ileri doğru aktığını ve algoritmaların bu gerçeği kullanmak için tasarlanması gerektiğini gösterir. Zaman adımlama şemaları bunu yaparken, zamanın küresel spektral yöntemleri veya diğer fikirler yapmaz. Elbette soru, neden herkesin bu gerçeği kullanmakta ısrar ettiğini soruyor - ama bu anlaşılması kolay: eğer uzaysal probleminizde zaten bir milyon bilinmeyen varsa ve 1000 zaman adımı yapmanız gerekiyorsa, o zaman bugün tipik bir makinede çözmek için yeterli kaynağa sahipsiniz. mekansal problemi birbiri ardına bir zaman aşımına uğradı, ancak bilinmeyenli birle bağlantılı problemle başa çıkmak için yeterli kaynağınız yok .109

Bu, ulaşım fenomeninin mekansal takdir yetkisine sahip olduğunuz durumdan gerçekten çok da farklı değil. Elbette, global olarak birleşmiş bir yaklaşım kullanarak saf 1d tavsiye denklemini ayrıklaştırabilirsiniz. Ancak verimliliği önemsiyorsanız, en iyi yaklaşım, içeri akıştan alanın çıkış kısmına kadar bilgi taşıyan bir aşağı akış taraması kullanmaktır. Bu tam olarak adım adım planlarının zaman içinde yaptığı şeydir.


Bu iyi bir nokta ... hafıza kesinlikle büyük bir kısıtlama! :)
Paul

Kesinliğin doğal olarak sonlu farklılıklarla geldiğini, ancak “küresel eşleşme” ile gelmediğini kesinlikle görüyorum. Tersine, BVP'leri çözmek için "çekim yöntemleri" bunun tersini yapar. İstenmeyen nedensellik kazandırır. Analitik olarak konuşursak, belirli denklemler (örneğin, 2. dereceden hiperbolik PDE'ler) nedensellik için benzersizliğe ihtiyaç vardır. Bununla birlikte, bazı durumlarda, öyle değildir ve sanırım birileri zaman içinde spektral yöntemler de yapabilir. Dediğiniz gibi, sistemin boyutunu küçültmenin de büyük bir sorun olduğunu düşünüyorum. Ve zamanla FD yapmak bazı keyfi mekansal boyutlardan daha anlamlı.
Patrick,

8

Wolfgang'ın görevinde belirtilen nedenselliğe benzer şekilde, zaman boyutunun Minkowski uzay-zaman bakış açısına göre özel olmasının nedenini görebiliyoruz:

boyutlu uzay-zaman bir iç çarpım olarak tanımlamıştır ise ve olmak üzere iki 1- Minkowski aralığındaki form: , , benzer bir şekilde tanımlanır, bir iç ürünün tanımlanmasının ardındaki sezgi (veya metrik). mutlak ışık hızı fikrini uygulamaktır, öyle ki uzay-uzaydaki iki farklı nokta (olay) sıfır mesafeye sahiptir (sanki "aynı zamanda" olur, sanki galaksilerin milyarlarca ışıkyılı hareketini izliyormuşuz gibi) Şu anda) eğer aynı ışık konisi üzerindeyse.( A , B ) = A x B x + A y B y + A z B z - 1(3+1)ABA=Axdx+Aydy+Azdz+AtdtB

(A,B)=AxBx+AyBy+AzBz1c2AtBt
ABA=Axdx+Aydy+Azdz+AtdtB

Gördüğünüz gibi, bu iç çarpım ışık hızı ile ölçeklendirilen zaman boyutunun varlığı nedeniyle kesin değildir , bu nedenle sezgisel olarak konuşursak, uzay-zamanına yayılan bir miktarla ilgili bir problemi tedavi ederken, basitçe teoremleri 3'te uygulayamayız. a boyutlu Öklidci metrik boyutlu uzay-, sadece 3 boyutlu eliptik PDE teorileri düşünmek ve bunların karşılık gelen sayısal yöntemler hiperbolik PDE teorilerden büyük ölçüde farklılık gösterir. ( 3 + 1 )c(3+1)


Belki konu dışı, ama uzay-uzay-zaman arasındaki başka bir büyük fark (eliptik - hiperbolik), çoğu eliptik denklemin dengeyi modellemesi ve eliptikliğin bize "güzel" bir düzenlilik sağlaması, hiperbolik problemlerde ise her türlü süreksizlik vardır (şok, nadiren, vb).

EDIT: Daha önce öğrendiklerime dayanarak, Poisson denklemi veya elastikiyet gibi tipik bir eliptik denklemi, statik bir fenomeni modellediğinde verilere göre "eliptik" bir çözüme sahip olduğunu belirten bir fark olduğunu bilmiyorum. ilgilenilen alanın sınırı "pürüzsüz" dür. Bunun nedeni, geçerli diferansiyel operatörün eliptikliği (veya pozitif kesin özellik demek) olması nedeniyle, bu tür denklemler bizi çok sezgisel bir Galerkin tipi yaklaşıma götürür (bir test fonksiyonu ve entegrasyonu ile çarpın) parçalarla), tipik sürekli sonlu elemanlar iyi çalışır. Benzer şeyler, esasen zamanla yürüyen eliptik bir denklem olan ısı denklemi gibi parabolik denklem için de geçerlidir, benzer bir "yumuşatma" özelliğine sahiptir, başlangıçta keskin bir köşe zamanla yumuşar,

Normalde bir koruma yasasından türetilen bir hiperbolik problem için "muhafazakar" veya "dağıtıcı" dır. Örneğin, belirli bir miktarın bir vektör alanıyla aktığını açıklayan lineer adveksiyon denklemi, bu belirli miktarın başlangıçta nasıl olduğunu korur, sadece bu vektör alanı boyunca aralıklı olarak hareket eder, süreksizlikler yayılır. Schrodinger denklemi, başka bir hiperbolik denklem, ancak dağılır, karmaşık bir miktarın yayılmasıdır, salınım yapmayan bir başlangıç ​​durumu zamanla farklı salınımlı dalga paketleri haline gelecektir.

“Zaman-adımlama” da bahsettiğiniz gibi, “alanlar” zamanında “alanların” nedensellik olarak belirli bir hızda “aktığını”, BVP doğrusal denklem denklemine çok benzer şekilde, sadece içeri akış sınır koşullarını dayatacağımızı düşünebilirsiniz. yani, ilgi alanına akarken miktarın nasıl bir şey olduğu ve çözüm bize akarken ne miktarın olduğunu söyler, zaman atlamayı kullanan her yönteme çok benzer bir fikir. Uzayda bir 2D tavsiye denklemini çözmek, uzay zamanındaki 1B tek taraflı yayılma problemini çözmek gibidir. Sayısal şemalar için, uzay-zamanı FEM'i hakkında google yapabilirsiniz.


Söylediğin şeyin çoğunun kafamın üstünde olduğunu söylemeliyim. Ancak son paragraf çok ilginçti ve kesinlikle bir fikir veriyor. (Uzay ve uzay-zaman) vs (eliptik ve hiperbolik) bağlantınız var mı?
Patrick

@Patrick İlginiz için teşekkürler, cevabımı daha çok düzenledim.
Shuhao Cao

6

Bazı istisnalar (örn. Tamamen ayrık sonlu elemanlar yöntemleri) olmasına rağmen, geçici ayrıklaştırma genellikle bilgi akışında doğal olarak sıralı bir bağımlılık anlamına gelir. Bu bağımlılık, alt-problemlerin çözümlerini sıralı bir şekilde hesaplamak için yarı-ayrık algoritmaları (uzayda BVP, zaman içinde IVP) kısıtlar. Bu ayrıklaştırma genellikle basitliği için tercih edilir ve analisti hem uzay içinde hem de zamanda daha yüksek doğruluk için birçok gelişmiş algoritma sunar.

Mekansal boyutlarda sonlu farkları kullanmak da mümkündür (ve daha basit), ancak sonlu elemanlar metodu, ilgilenilen alan tipinde (örneğin normal olmayan şekiller) sonlu fark metotlarından daha kolay bir esneklik sunar. Mekansal takdirsizliğin “iyi” bir seçimi genellikle çok soruna bağlıdır.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.