本文考虑如下的Schrödinger方程初值问题[1],
其中$ V=V(x)>0 $为已知的实函数, $ \varepsilon $为普朗克常数, $ f $为足够光滑的实函数, $ \beta\geq0 $为常数, $ {u}^\varepsilon={u}^\varepsilon(x, t) $为复波函数, 并有
方程(1.1) 包含很多的Schrödinger方程[1].例如, 当$ f\equiv0 $且$ \beta=0 $时, (1.1) 变为线性Schrödinger方程; 当$ V\equiv0 $, $ f(\rho)\equiv\gamma_\varepsilon\rho $且$ \beta=0 $时, 变为广义Schrödinger方程; 当$ f(\rho)=\alpha(\rho-1) $且$ \beta=0 $时, 变为潜水波方程. 方程$ (1.1)\sim(1.2) $遵守以下守恒律,
如果$ \beta=0 $还遵守下面的守恒律,
其中
并且
在文[1]中作者对方程(1.1)–(1.2)的周期初边值问题研究了两个分裂的谱格式, 文[2]对一类半经典长短波方程构造了分裂龙格-库塔格式, 文[3]将分裂的龙格-库塔格式用于耦合Schrödinger方程, 都取得了很好的数值结果. 本文将分裂的三点、四点龙格-库塔格式和一个分裂谱格式应用于半经典Schrödinger方程, 数值结果表明本文的算法是有效的和可靠的. 周期边值问题如下:
方程(1.1)–(1.2)变为
本文作如下的安排:第2节提出了三个新的格式, 第3节研究了格式的守恒律, 第4节研究了$ \beta=0 $时的平面波解, 第5节给出了稳定性条件, 第6节给出了模型问题, 第7节给出了数值实验.
下面对方程(1.7)–(1.9)构造几个差分格式, 首先引入如下的符号:
其中C表示一个常数. 从$ t^n $到$ t^{n+1} $, 方程(1.7) 可分为两步求解[1], 首先求解
接下来求解
龙格-库塔方法是一种具有很高精度的算法, 我们用三点格式离散(2.2)中的导数项$ u_{xx}^\varepsilon $, 然后将离散后的方程用龙格-库塔方法求解, 格式如下
$ S^\varepsilon(u^\varepsilon, t) $如下
离散后为
$ D_x^s $为导数项$ \partial_x $的谱格式:
格式(2.3)–(2.5)的截断误差为$ O(\tau^2+h^2) $.
类似(2.3)–(2.5)我们考虑如下的五点龙格-库塔格式,
格式(2.11)–(2.13) 的精度为$ O(\tau^2+h^4) $.
方程(2.2)是一个线性方程可以用傅里叶方法精确求解, 我们构造下面的格式,
格式(2.14)–(2.16)的精度为$ O(\tau^2+h^m) $, $ m $为方程(1.7)–(1.9)的光滑度.
作为比较我们给出文[1]中的两个格式.
(1) BSP1
(2) BSP2
格式(2.17)–(2.19)和(2.20)–(2.22)的精度为$ O(\tau^2+h^m) $, $ m $为方程(1.7)–(1.9)的光滑度.
考虑如下的两个守恒律:
定理3.1 格式SP0, BSP1和BSP2满足守恒律$ \|u^{\varepsilon, n}\|^2=const. $
证 由(2.3)得$ |u_j^{\varepsilon, *}|=|u_j^{\varepsilon, n}|, $对SP0由巴什瓦定理得
于是有
对于格式BSP1有
所以
与格式SP0和BSP1类似, 可以证明格式BSP2有
尽管三点龙格-库塔格式(2.3)–(2.5)和五点龙格-库塔格式(2.11)–(2.15)不能够满足守恒律(3.1) 和(3.2), 在数值实验中我们可以看到, 它们也可以很好地满足两个守恒律.
考虑当$ \beta=0 $时方程(1.7)–(1.9)的平面波解, 令
其中d, A, k和$ \omega $为常数. 将(4.1) 代入到(1.7)中, 得如下等式
得
在下面的论述中我们考虑如下离散形式的平面波解
将(4.3) 代入到(2.3)–(2.5), 得
整理得,
因为$ u_j^{\varepsilon, n+1}=Ae^{k\pi jh/p-\omega(n+1)\tau}, $所以有
所以三点龙格-库塔方法的精度为$ O(\tau^2+h^2) $, 同理可得五点龙格-库塔格式(2.11)–(2.13)的精度为$ O(\tau^2+h^4) $.
将(4.3)代入到格式SP0中, 由离散的傅里叶变换,
又因为
整理得
所以分裂谱格式可以精确满足平面波解, 同理BSP1和BSP2也精确满足平面波解.
关于格式的稳定性有如下的定理:
定理5.1 三点龙格-库塔格式(2.3)–(2.5)、五点龙格-库塔格式(2.11)–(2.13)的稳定性条件分别为$ r\leq \frac{\sqrt{2}}{\varepsilon} $, $ r\leq\frac{12\sqrt{2}}{7\varepsilon} $, 其中$ r=\tau/h^2 $.
证明 假设$ V(x)=d $, 其中$ d $是个常数. 下面用线性化的方法证明三点龙格-库塔格式和五点龙格-库塔格式的稳定性. 考虑如下的解的形式
将(5.1)式代入到(2.3)–(2.5), 我们得
因为
所以有
令
则
格式(2.3)–(2.5)是稳定的, 则$ G(\tau, k) $满足
三点龙格-库塔格式(2.3)–(2.5)的稳定性条件为$ r\leq \frac{\sqrt{2}}{\varepsilon}. $同理可证, 五点龙格-库塔格式的稳定性条件为$ r\leq \frac{12\sqrt{2}}{7\varepsilon}. $另外, 由定理3.1可知谱格式SP0, BSP1和BSP2是无条件稳定的[1].
模型Ⅰ 平面波解的初值问题:当$ \beta=0 $时, 我们给出了(1.7)–(1.9)的平面波解, 令初值$ A_0(x)=A, S_0(x)=\frac{\varepsilon k\pi x}{p}, V_0^{\varepsilon}(x)=d. $精确解为
在计算中取如下参数: $ A=5, k=1, p=10, d=1. $
模型Ⅱ 当$ \beta\neq 0 $时, 我们用第2节中的格式来计算密度函数$ \rho^{\varepsilon}(x, t)=|u^{\varepsilon}(x, t)|^2 $. 初值条件为$ A_0(x)=e^{-x^2} $, $ S_0(x)=\frac{1}{e^{3x}+e^{-3x}} $, $ \beta=1.0 $, $ V(x)=0 $, $ f(\rho)=-\rho $.
本节用第2节的数值格式来计算模型Ⅰ和模型Ⅱ. 在计算模型Ⅰ时, 固定精度($ L_\infty $), 让步长$ h $和$ \tau $自由. 对每个格式, 令步长$ h $和$ \tau $尽量大, 既要达到给定的精度, 又能使格式保持稳定, 比较格式的计算时间. 计算的量如下:
守恒律
和
误差为
精确解的误差
其中$ u^{\varepsilon}(x_j, t^n) $为在点$ (x_j, t_n) $处的精确解. 模型Ⅰ的计算结果见表 1.
文[4][5]中对小$ \varepsilon $的线性schrödinger方程的有限差分进行了研究, 结果表明为了保证良好的近似, 时间步长$ \tau $和空间步长$ h $满足如下关系:
对于模型Ⅱ, 我们取$ \varepsilon=0.1 $, 为了画出密度函数的较精确图像, 令空间步长$ h=0.015625 $和一个较小的时间步长$ \tau=0.002 $. 图 1和图 2给出了用五点龙格-库塔格式和Bsp2计算的结果, 表 2给出了所有格式的计算时间.
由表 1可知, 当$ \varepsilon $=1, 0.1, 0.01, 0.001, 0, 0001时, 所有的格式都能够很好的计算平面波解. 其中, 分裂的五点龙格-库塔格式和三点龙格-库塔格式用的时间较少. 表 2中数据也表明五点龙格-库塔格式和三点龙格-库塔格式用的时间较少, 具有较高的计算效率. 由计算结果可知, 所有的格式都可以很好的计算, 其中分裂的五点龙格-库塔格式精度高, 计算时间少, 是最有效的和可靠的.