We present a frequency-domain method for computing the sensitivities of time-averaged quantities of chaotic systems with respect to input parameters. Such sensitivities cannot be computed by conventional adjoint analysis tools, because the presence of positive Lyapunov exponents leads to exponential growth of the adjoint variables. The proposed method is based on the least-square shadowing (LSS) approach [1], that formulates the evaluation of sensitivities as an optimisation problem, thereby avoiding the exponential growth of the solution. However, all existing formulations of LSS (and its variants) are in the time domain and the computational cost scales with the number of positive Lyapunov exponents. In the present paper, we reformulate the LSS method in the Fourier space using harmonic balancing. The new method is tested on the Kuramoto-Sivashinski system and the results match with those obtained using the standard time-domain formulation. Although the cost of the direct solution is independent of the number of positive Lyapunov exponents, storage and computing requirements grow rapidly with the size of the system. To mitigate these requirements, we propose a resolvent-based iterative approach that needs much less storage. Application to the Kuramoto-Sivashinski system gave accurate results with very low computational cost. The method is applicable to large systems and paves the way for application of the resolvent-based shadowing approach to turbulent flows. Further work is needed to assess its performance and scalability.


翻译:我们提出了一个计算投入参数方面时间平均混乱系统数量敏感度的频率域法。这种敏感度无法通过常规联合分析工具进行计算,因为阳性 Lyapunov 指数的出现导致联合变量的指数增长。拟议方法基于最不平方阴影法[1],该方法将敏感度评价作为一种优化问题,从而避免解决方案的指数增长。然而,LSS(及其变异物)的所有现有配方都位于时间域和计算成本尺度中,其数量为正性 Lyapunov 指数。在本文中,我们利用调和平衡重新配置Fourier空间的LSS 方法。该新方法在Kuramoto-Sivashinski系统上测试,其结果与使用标准时间范围公式获得的匹配。尽管直接解决方案的成本取决于正性流法的频率、储存和计算要求随着系统规模的扩大而迅速增长。为了减轻这些要求,我们用调和调和调和法的方法来降低存储系统所需的大量存储成本。我们提议,采用可调定式的系统。

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