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 modelled 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. This is judged by the fact that larger size of time steps can be applied in explicit methods, and much smaller number of time steps are needed in both explicit and semi-implicit discretizations, while every time step encounters almost the same computational complexity in comparison with the respective gradient flow type approaches. 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,涉及二级时间衍生物,与梯度流不同,被认为是一级流。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(BEC)的地面状态可以模拟为Gros-Pitaevskii能源功能的最小化器,在常规约束下,以角动力旋转为条件。我们引入了两类二阶流作为节能最小化战略,以对付这个受限制的非convex优化问题,以便接近地面状态。拟议的人造动态是新型的二阶非线性超单向部分差异方程式,随着分流的分散。讨论了若干数字分解机制,包括时间离散化的明确和半隐蔽的方法,结合了四级假光谱分光谱的光谱转换方法。这为我们提供了一系列高效和稳健的算方法,用以计算旋转的BEC的地面状态。特别是,新开发的算法在接近地面状态优化的不线优化的轨道优化状态上,而接近于分流的分流的分流的分流的分流和分流的分流的分流的分流的分流,而需要的分流法方法可以根据一个更细的细的分流的分流的细的细的细的细的细的分级法。

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