Статья
Remarks on discrete and semi-discrete transparent boundary conditions for solving the time-dependent Schrödinger equation on the half-axis
We consider the generalized time-dependent Schrödinger equation on the half-axis and a broad family of finite-difference schemes with the discrete transparent boundary conditions (TBCs) to solve it. We first rewrite the discrete TBCs in a simplified form explicit in space step $h$. Next, for a selected scheme of the family, we discover that the discrete convolution in time in the discrete TBC does not depend on $h$ and, moreover, it coincides with the corresponding convolution in the semi-discrete TBC rewritten similarly. Both moments allow us to prove the bound for the difference between the kernels of the discrete convolutions in the discrete and semi-discrete TBCs that is the first result of such kind. Numerical experiments on replacing the discrete TBC convolutions by the semi-discrete one exhibit truly small absolute errors though not relative ones in general. The suitable discretization in space of the semi-discrete TBC for the higher-order Numerov scheme is also discussed.
Уравнение Шрёдингера играет важную роль в квантовой механике и электронике, ядерной, атомной, волновой физике и др. Часто его необходимо решать в неограниченных областях. Для этой цели разработан ряд методов, обычно использующих приближенные прозрачные граничные условия (ПГУ) на искусственных границах, в том числе дискретные ПГУ. Для последних полностью отсутствуют отражения от искусственных границ на практике и разработана строгая математическая теория. В настоящей работе для возможности эффективной реализации двухслойных схем с дискретными ПГУ в многомерном случае предлагается применить расщепление по потенциалу типа Стренга. Это делается единообразно как для схемы 2-го порядка аппроксимации, так и особенно полезных на практике схем повышенного порядка аппроксимации. Даются теоремы о виде дискретных ПГУ для схем с расщеплением и о единственности и равномерной по времени устойчивости их решений.
An initial-boundary value problem for the n -dimensional ($n\geq 2$) time-dependent Schrödinger equation in a semi-infinite parallelepiped is considered. Starting from the Numerov–Crank–Nicolson finite-difference scheme, we first construct higher order scheme with splitting space averages having much better spectral properties for $n\geq 3$. Next we apply the Strang-type splitting with respect to the potential and, third, construct discrete transparent boundary conditions (TBC). For the resulting double-splitting method, the uniqueness of solution and the uniform in time L2-stability are proved and an error estimate is stated. Owing to the splitting, an effective direct algorithm using FFT (in the coordinate directions perpendicular to the leading axis of the parallelepiped) is applied to implement the scheme for general potential.
Рассматривается нестационарное одномерное уравнение Шрёдингера на полуоси с переменными коэффициентами, становящимися постоянными при больших х. Изучается двухслойный симметричной во времени (т.е. Кранка-Николсон) и конечных элементов любого порядка по пространству численный метод ее решения. Для метода ставятся приближенные прозрачные граничные условия (ПГУ). Доказывается равномерная во времени устойчивость в двух нормах по начальным данным и свободному члену при подходящих условиях на оператор в приближенном ПГУ. Рассматривается также соответствующий метод на бесконечной сетке на полуоси. Явно выводятся дискретные ПГУ, позволяющие сузить решение последнего метода на конечную сетку. Оператор в дискретном ПГУ является дискретной сверткой во времени; в свою очередь, его ядро является кратной дискретной сверткой. Для него обоснованы упомянутые выше подходящие условия устойчивости. Проведенные расчеты подтверждают, что конечные элементы высокого порядка в сочетании с дискретными ПГУ являются эффективными даже в случае сильно осциллирующих решений и разрывных потенциалов.
Работа выполнена первым автором при финансовой поддержке программы “Научный фонд НИУ ВШЭ” в 2012–2013 гг., проект 11-01-0051.
An initial-boundary value problem for the 1D self-adjoint parabolic equation on the half-axis is solved. We study a broad family of two-level finite-difference schemes with two parameters related to averages both in time and space. Stability in two norms is proved by the energy method. Also discrete transparent boundary conditions are rigorously derived for schemes by applying the method of reproducing functions. Results of numerical experiments are included as well.
We deal with an initial-boundary value problem for the generalized time-dependent Schrödinger equation with variable coefficients in an unbounded $n$-dimensional parallelepiped ($n\geq 1$). To solve it, the Crank-Nicolson in time and the polylinear finite element in space method with the discrete transparent boundary conditions is considered. We present its stability properties and derive new error estimates $O(\tau^2+|h|^2)$ uniformly in time in $L^2$ space norm, for $n\geq 1$, and mesh $H^1$ space norm, for $1\leq n\leq 3$ (a superconvergence result), under the Sobolev-type assumptions on the initial function. Such estimates are proved for methods with the discrete TBCs for the first time.
This book constitutes the thoroughly refereed conference proceedings of the 6th International Conference on Finite Difference Methods, FDM 2014, held in Lozenetz, Bulgaria, in June 2014. The 36 revised full papers were carefully reviewed and selected from 62 submissions. These papers together with 12 invited papers cover topics such as finite difference finite element methods and various its applications in physics, chemistry, biology and finance.
В первой части пособия рассмотрены дополнительные вопросы теории вероятностей, необходимые для изучения математической статистики, и начальные сведения по математической статистике.
Во второй части пособия подробно изложены вопросы, связанные с решением одной из основных задач математической статистики - параметрической задачи. Приведено много примеров.
Рекомендуется всем студентам МИЭМа, изучающим математическую статистику.
Центр конъюнктурных исследований Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ представляет информационно-аналитический материал «Деловой климат в оптовой торговле в I квартале 2012 года», подготовленный в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ на основе ежеквартальных конъюнктурных опросов руководителей около 3 тыс. торговых компаний, проводимых Федеральной службой государственной статистики.
Конъюнктурные обследования направлены на оперативное получение от предпринимателей в дополнение к официальным статистическим данным краткосрочных качественных оценок о состоянии бизнеса и основных тенденциях его динамики, особенностях функционирования хозяйствующих субъектов, их намерениях, степени адаптации к механизмам хозяйствования, сложившемся деловом климате, а также о важнейших факторах, лимитирующих их деятельность.
Программа обследования гармонизирована с соответствующими подходами, принятыми в странах ОЭСР, и базируется на Гармонизированной Европейской Системе обследований деловых тенденций.
Структура выборочной совокупности идентична структуре генеральной статистической совокупности. При этом объем выборки достаточен для получения необходимой точности оценок показателей на всех уровнях разработки по разделу ОКВЭД (раздел G).
Настоящая книга представляет собой своеобразный расширенный учебник по математической статистике. Данный учебник не ограничен рамками учебного стандарта или вузовской программы --- он предназначен всем, кто интересуется математикой вообще и, в частности, хочет узнать, что такое современная математическая статистика, какие задачи и какими методами она решает, какие результаты в ней уже накоплены, какие проблемы в ней сегодня актуальны; наконец, каковы ее истоки, какой путь она прошла и какие ученые были ее творцами. По замыслу авторов, книга простым и доступным языком рассказывает о математической статистике и одновременно обучает ей. Вся теория объясняется и иллюстрируется на интересных и тщательно подобранных примерах. Книга может служить и задачником, так как содержит большой список упражнений для самостоятельного решения, а также справочным пособием по математической статистике, а в некоторых аспектах --- и по теории вероятностей.
Книга будет интересна преподавателям, аспирантам и студентам естественных и технических вузов, в которых изучается математическая статистика, научным работникам, использующим в своей деятельности методы математической статистики, а также самому широкому кругу любителей математики.