A nine-parametric family of embedded methods of sixth order

Authors

  • Igor V. Olemskoy St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation https://orcid.org/0000-0001-8897-9898
  • Alexey S. Eremin St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation https://orcid.org/0000-0001-8196-8256
  • Oksana S. Firyulina St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

DOI:

https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2023.403

Abstract

In the paper an effective explicit Runge — Kutta type method of the sixth order with an embedded error estimator of order four is presented. The method is applied to the systems that can be structurally partitioned into three subsystems. Its computational scheme effectively uses the structural properties. However this leads to much larger systems of order conditions. These nonlinear conditions and the algorithm of finding a solution with nine free parameters are presented. A certain computational scheme is written down and a numerical comparison to Dormand — Prince pairs of orders 5 and 6 is performed.

Keywords:

Runge — Kutta methods, partitioned systems, order conditions, simplifying conditions

Downloads

Download data is not yet available.
 

Author Biographies

Igor V. Olemskoy, St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

 

Alexey S. Eremin, St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

 

Oksana S. Firyulina, St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

 

References

Литература

Олемской И. В. Алгоритм выделения структурных особенностей // Николай Ефимович Кирин: сб. ст. СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 2003. С. 224–250.

Олемской И. В. Модификация алгоритма выделения структурных особенностей // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2006. Вып. 2. C. 55–64.

Олемской И. В. Методы интегрирования систем структурно разделенных дифференциальных уравнений. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2009. 180 с.

Олемской И. В. Структурный подход в задаче конструирования явных одношаговых методов // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2003. Т. 43. № 7. С. 918–931.

Butcher J. C. On Runge — Kutta processes of high order // Journal of the Australian Mathematical Society. 1964. Vol. 4. P. 179–194.

Hairer E., Norsett S. P., Wanner G. Solving ordinary differential equations. I: Nonstiff problems. 2nd ed., 3rd corr. print. Heidelberg; Berlin: Springer-Verlag, 2008. 528 p.

Олемской И. В. Четырехэтапный метод пятого порядка численного интегрирования систем специального вида // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2002. Т. 42. № 8. С. 1135–1145.

Олемской И. В. Вложенный метод пятого порядка типа Дормана — Принса // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2005. Т. 45. № 7. С. 1140–1150.

Еремин А. С., Олемской И. В. Вложенный метод интегрирования систем структурно разделенных обыкновенных дифференциальных уравнений // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2010. Т. 50. № 3. С. 434–448.

Олемской И. В., Коврижных Н. А. Семейство шестиэтапных методов шестого порядка // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2018. Т. 14. Вып. 3. С. 215–229. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2018.303

Eremin A. S., Kovrizhnykh  N.A., Olemskoy I. V. An explicit one-step multischeme sixth order method for systems of special structure // Applied Mathematics and Computation. 2019. Vol. 347. P. 853–864.

Олемской И. В., Коврижных Н. А., Фирюлина О. С. Двухпараметрическое семейство методов шестого порядка интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2019. Т. 15. Вып. 4. С. 502–517. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2019.407

Олемской И. В., Фирюлина О. С., Тумка О. А. Семейства вложенных методов шестого порядка // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2022. Т. 18. Вып. 2. С. 285–296. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2022.209

Olemskoy I. V., Eremin A. S. Algorithm of construction of effective explicit methods for structurally partitioned systems of ordinary differential equations // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2021. Т. 17. Вып. 4. С. 353–369. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2021.404

Dormand J. R., Prince P. J. A family of embedded Runge — Kutta formulae // Journal of Computational and Applied Mathematics. 1980. Vol. 6. Iss. 1. P. 19–26.

Dormand J. R., Prince P. J. High order embedded Runge — Kutta formulae // Journal of Computational and Applied Mathematics. 1981. Vol. 7. Iss. 1. P. 67–75.


References

Olemskoy I. V. Algoritm vydeleniia strukturnykh osobennostei [An algorithm for finding the structural properties]. Nikolai Efimovich Kirin. Papers dedicated to the memory. St. Petersburg, Research Institute of Chemistry of St. Petesburg State University Publ., 2003, pp. 224–250. (In Russian)

Olemskoy I. V. Modifikatsiia algoritma vydeleniia strukturnykh osobennostei [Updating of algorithm of allocation structural features]. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2006, iss. 2, pp. 55–64. (In Russian)

Olemskoy I. V. Metody integrirovaniia sistem strukturno razdelennykh differentsial'nykh uravnenii [Integration of structurally partitioned systems of ordinary differential equations]. St. Petersburg, St. Petersburg State University Press, 2009, 180 p. (In Russian)

Olemskoy I. V. Strukturnyi podkhod v zadache konstruirovaniia iavnykh odnoshagovykh metodov [Structural approach to the design of explicit one-stage methods]. Comput Math. and Math. Phys., 2003, vol. 43, iss. 7, pp. 918–931. (In Russian)

Butcher J. C. On Runge — Kutta processes of high order. Journal of the Australian Mathematical Society, 1964, vol. 4, pp. 179–194.

Hairer E., Norsett S. P., Wanner G. Solving ordinary differential equations. I: Nonstiff problems. 2nd ed., 3rd corr. print. Heidelberg, Berlin, Springer-Verlag Press, 2008, 528 p.

Olemskoy I. V. Chetyrekhetapnyi metod piatogo poriadka chislennogo integrirovaniia sistem spetsial'nogo vida [Fifth-order four-stage method for numerical integration of special systems]. Comput. Math. and Math. Phys., 2002, vol. 42, iss. 8, pp. 1135–1145. (In Russian)

Olemskoy I. V. Vlozhennyi metod piatogo poriadka tipa Dormana — Prinsa [A fifth-order five-stage embedded method of the Dormand — Prince type]. Comput Math. and Math. Phys., 2005, vol. 45, iss. 7, pp. 1140–1150. (In Russian)

Eremin A. S., Olemskoy I. V. Vlozhennyi metod integrirovaniia sistem strukturno razdelennykh obyknovennykh differentsial'nykh uravnenii [An embedded method for integrating systems of structurally separated ordinary differential equations]. Comput Math. and Math. Phys., 2010, vol. 50, iss. 3, pp. 434–448. (In Russian)

Olemskoy I. V., Kovrizhnykh N. A. Semeistvo shestietapnykh metodov shestogo poriadka [A family of sixth-order methods with six stages]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2018, vol. 14, iss. 3, pp. 215–229. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2018.303 (In Russian)

Eremin A. S., Kovrizhnykh N. A., Olemskoy I. V. An explicit one-step multischeme sixth order method for systems of special structure. Applied Mathematics and Computation, 2019, vol. 347, pp. 853–864.

Olemskoy I. V. Kovrizhnykh N. A, Firyulina O. S. Dvukhparametricheskoe semeistvo metodov shestogo poriadka integrirovaniia sistem obyknovennykh differentsial'nykh uravnenii [Two-parametric family of sixth order numerical methods for solving systems of ordinary differential equations]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2019, vol. 15, iss. 4, pp. 502–517.

Olemskoy I. V., Firyulina O. S., Tumka O. A. Semeistva vlozhennykh metodov shestogo poriadka [Families of embedded methods of order six]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2022, vol. 18, iss. 2, pp. 285–296. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2022.209 (In Russian)

Olemskoy I. V., Eremin A. S. Algorithm of construction of effective explicit methods for structurally partitioned systems of ordinary differential equations. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2021, vol. 17, iss. 4, pp. 353–369. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2021.404

Dormand J. R., Prince P. J. A family of embedded Runge — Kutta formulae. Journal of Computational and Applied Mathematics, 1980, vol. 6, iss. 1, pp. 19–26.

Dormand J. R., Prince P. J. High order embedded Runge — Kutta formulae. Journal of Computational and Applied Mathematics, 1981, vol. 7, iss. 1, pp. 67–75.

Published

2023-12-29

How to Cite

Olemskoy, I. V., Eremin, A. S., & Firyulina, O. S. (2023). A nine-parametric family of embedded methods of sixth order. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 19(4), 449–468. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2023.403

Issue

Section

Applied Mathematics