This paper presents a systematic theoretical framework to derive the energy identities of general implicit and explicit Runge--Kutta (RK) methods for linear seminegative systems. It generalizes the stability analysis of explicit RK methods in [Z. Sun and C.-W. Shu, SIAM J. Numer. Anal., 57 (2019), pp. 1158-1182]. The established energy identities provide a precise characterization on whether and how the energy dissipates in the RK discretization, thereby leading to weak and strong stability criteria of RK methods. Furthermore, we discover a unified energy identity for all the diagonal Pade approximations, based on an analytical Cholesky type decomposition of a class of symmetric matrices. The structure of the matrices is very complicated, rendering the discovery of the unified energy identity and the proof of the decomposition highly challenging. Our proofs involve the construction of technical combinatorial identities and novel techniques from the theory of hypergeometric series. Our framework is motivated by a discrete analogue of integration by parts technique and a series expansion of the continuous energy law. In some special cases, our analyses establish a close connection between the continuous and discrete energy laws, enhancing our understanding of their intrinsic mechanisms. Several specific examples of implicit methods are given to illustrate the discrete energy laws. A few numerical examples further confirm the theoretical properties.


翻译:本文提出了一个系统性的理论框架,用以得出普通隐含和明确的龙格-库塔(RK)线性半阴性系统(RK)的能源特性,它概括了[Z.Sun和C.-W.Shu,SIAM J.Numer.Anal. 57 (2019年),第1158-1182页)对[Z.SIM J.Numer. Anaal. 57 (2019年),57 中明确的RK方法的稳定性分析。既定的能源特性提供了一种精确的描述,说明RK离散的能源是否以及如何消散,从而导致KK方法的弱和强的稳定性标准。此外,我们发现所有对二甲板近似的能源特性是统一的,基于分析的Choolesky类型,对某类类对正度矩阵的分解。矩阵结构非常复杂,使得发现统一的能源特性和分解的证明非常具有挑战性。我们的证据涉及从超地球测量系列理论中构建技术组合特性和新技术。我们的框架,其动机是分解的模拟,通过部分技术与不断扩展的能源法和连续的分解能源法的理论法的扩展。

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