This article considers Hamiltonian mechanical systems with potential functions admitting jump discontinuities. The focus is on accurate and efficient numerical approximations of their solutions, which will be defined via the laws of reflection and refraction. Despite of the success of symplectic integrators for smooth mechanical systems, their construction for the discontinuous ones is nontrivial, and numerical convergence order can be impaired too. Several rather-usable numerical methods are proposed, including: a first-order symplectic integrator for general problems, a third-order symplectic integrator for problems with only one linear interface, arbitrarily high-order reversible integrators for general problems (no longer symplectic), and an adaptive time-stepping version of the previous high-order method. Interestingly, whether symplecticity leads to favorable long time performance is no longer clear due to discontinuity, as traditional Hamiltonian backward error analysis does not apply any more. Therefore, at this stage, our recommended default method is the last one. Various numerical evidence, on the order of convergence, long time performance, momentum map conservation, and consistency with the computationally-expensive penalty method, are supplied. A complex problem, namely the Sauteed Mushroom, is also proposed and numerically investigated, for which multiple bifurcations between trapped and ergodic dynamics are observed.


翻译:文章认为汉密尔顿机械系统具有潜在功能的汉密尔顿机械系统可以承认跳跃不连续。 重点是其解决方案的准确和高效数字近似值, 其定义将通过反射法和折射法来界定。 尽管光滑机械系统的随机集成器成功, 它们为不连续的机械系统的构造是非三角的, 数字趋同顺序也可能受损。 提议了几种非常可使用的数字方法, 包括: 用于一般问题的一阶间歇性综合器, 第三阶间歇性综合器, 用于解决只有一个线性界面的问题的三阶间歇性综合器; 任意高阶可逆融合器, 用于解决一般问题( 没有更长时间的反射法) 。 有趣的是, 偏移性是否导致有利于长期性的工作表现, 由于传统的汉密尔密尔顿后错分析不再适用。 因此, 在现阶段, 我们推荐的默认方法是最后一个。 各种数字证据, 关于趋同顺序的、 长时序性性、 动力保存和动态的以往高档方法 。

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