In this paper we investigate the stability properties of the so-called gBBKS and GeCo methods, which belong to the class of nonstandard schemes and preserve the positivity as well as all linear invariants of the underlying system of ordinary differential equations for any step size. A stability investigation for these methods, which are outside the class of general linear methods, is challenging since the iterates are always generated by a nonlinear map even for linear problems. Recently, a stability theorem was derived presenting criteria for understanding such schemes. For the analysis, the schemes are applied to general linear equations and proven to be generated by $\mathcal C^1$-maps with locally Lipschitz continuous first derivatives. As a result, the above mentioned stability theorem can be applied to investigate the Lyapunov stability of non-hyperbolic fixed points of the numerical method by analyzing the spectrum of the corresponding Jacobian of the generating map. In addition, if a fixed point is proven to be stable, the theorem guarantees the local convergence of the iterates towards it. In the case of first and second order gBBKS schemes the stability domain coincides with that of the underlying Runge--Kutta method. Furthermore, while the first order GeCo scheme converts steady states to stable fixed points for all step sizes and all linear test problems of finite size, the second order GeCo scheme has a bounded stability region for the considered test problems. Finally, all theoretical predictions from the stability analysis are validated numerically.


翻译:关于第一和第二阶GeCo和gBBKS方案动力学的研究 翻译后摘要: 本文研究了所谓的gBBKS和GeCo方法的稳定性特性,这些方法属于非标准方案类别,对于任何步长都保持基础普通微分方程系统的所有线性不变性和正性。对于这些方法(即非一般线性方法),稳定性调查是具有挑战性的,因为即使对于线性问题,迭代也总是由非线性映射生成的。最近,导出了一个稳定性定理,呈现出了理解这种方案的标准。为了进行分析,将这些方案应用于一般线性方程,并且证明了它们由具有本地Lipschitz连续第一导数的$\mathcal {C}^1$-maps所生成。因此,相应生成映射的雅可比矩阵的频谱可以应用于调查数值方法非超逼近固定点的Lyapunov稳定性。此外,如果证明了一个固定点是稳定的,定理保证了迭代的局部收敛性。对于第一和第二阶gBBKS方案,稳定域与基础Runga-Kutta方法相同。此外,虽然第一阶GeCo方案对于所有步长和所有有限大小的线性测试问题将稳定状态转换为稳定固定点,但第二阶GeCo方案在考虑的测试问题上具有有限的稳定区域。最后,将通过数值验证所有理论预测。

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