Second-order flows in this paper refer to some artificial evolutionary differential equations involving second-order time derivatives distinguished from gradient flows which are considered to be first-order flows. This is a popular topic due to the recent advances of inertial dynamics with damping in convex optimization. Mathematically, the ground state of a rotating Bose-Einstein condensate (BEC) can be modeled as a minimizer of the Gross-Pitaevskii energy functional with angular momentum rotational term under the normalization constraint. We introduce two types of second-order flows as energy minimization strategies for this constrained non-convex optimization problem, in order to approach the ground state. The proposed artificial dynamics are novel second-order nonlinear hyperbolic partial differential equations with dissipation. Several numerical discretization schemes are discussed, including explicit and semi-implicit methods for temporal discretization, combined with a Fourier pseudospectral method for spatial discretization. These provide us a series of efficient and robust algorithms for computing the ground states of rotating BECs. Particularly, the newly developed algorithms turn out to be superior to the state-of-the-art numerical methods based on the gradient flow. In comparison with the gradient flow type approaches: When explicit temporal discretization strategies are adopted, the proposed methods allow for larger stable time step sizes; While for semi-implicit discretization, using the same step size, a much smaller number of iterations are needed for the proposed methods to reach the stopping criterion, and every time step encounters almost the same computational complexity. Rich and detailed numerical examples are documented for verification and comparison.


翻译:本文中的第二顺序流是指一些人工进化变异方程式,涉及第二阶时间流的第二阶变异衍生物,与被认为是第一阶流的梯度流有区别。这是一个流行的话题,因为最近惯性动态的惯性动态进步,在顺流优化中阻塞。从数学角度讲,旋转的Bose-Einstein冷凝体(BEC)的地面状态可以建模为Gros-Pitaevskii能源功能的最小化器,同时在常规约束下采用角动力旋转周期周期。我们引入了两种第二阶流作为节能最小化战略,以便接近地面状态。拟议中的人工动态是一个新型的二阶非线性超线性部分差异方程式。讨论了若干数字分解方案,包括时间离散化的明确和半隐蔽方法,同时采用四级伪光谱光谱方法,用于计算旋转的直流动 BEC 的地面状态。特别是,新开发的精度流化算法在接近地面状态流变异化过程中会更高级,使用稳定的递化方法。

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