第 22 课 · 量子 ODE/PDE 求解器——从哈密顿量模拟到 Schrödingerization · 模块四:应用与前沿专题

非线性 ODE:Carleman 线性化

  • 命题框:标量二次 ODE $du/dt = a\cdot u + b\cdot u^2 + c$,引入 $v_k := u^k$ → $d v_k/dt = k(a\cdot v_k + b\cdot v_{k+1} + c\cdot v_{k-1})$:无穷维三对角线性 ODE,截断到 $K$ 阶回到线性工具箱
  • 推导/演算步骤:
    1. 链式法则逐阶:$d v_1/dt = a\cdot v_1 + b\cdot v_2 + c$;$d v_2/dt = 2u(au+bu^2+c) = 2a\cdot v_2 + 2b\cdot v_3 + 2c\cdot v_1$(用 $v_{k-1}\cdot v_1 = v_k$、$v_{k-1}\cdot v_2 = v_{k+1}$)
    2. 有界性:$g' \le -\mu g + \beta g^2 + c$ 的平衡点 $y^{*\pm} = (\mu \pm \sqrt{\mu^2-4\beta c})/(2\beta)$(要求 $\mu^2 \ge 4\beta c$)→ 比较原理 $g(t) \le \max(g(0), y^*_-) =: R$
    3. 截断公式:$\lVert w_{K+1}\rVert = \lVert u\rVert^{K+1} \le R^{K+1}$ 几何衰减 → $K = O(\log(1/\varepsilon)/\log(1/R))$;代入演算 $\varepsilon = 10^{-6}$、$R = 1/2$ → $K = \log(10^6)/\log 2 = 13.86/0.693 \approx 20$
    4. 演算(Lotka–Volterra,ODE 教材例子一):$\alpha = 1$、$\beta = 0.1$、$\delta = 0.075$、$\gamma = 1.5$ → 平衡点 $x^* = \gamma/\delta = 1.5/0.075 = 20$、$y^* = \alpha/\beta = 1/0.1 = 10$;轨道有界闭合,$T = 10$ 时 $K = 10$ 已足
    5. 重缩放:$u = \sigma\cdot\tilde{u}$ → 有效非线性强度 $\beta$ → $\sigma\beta$(耗散占优时压小 $R$);复杂度 $O(\mathrm{poly}(\kappa, \log(1/\varepsilon))\cdot T^{1+o(1)})$
  • 结果框:非线性 →(Carleman 截断)→ 有限维线性 → 情况一至四任一路线;警示:$R \ge 1$ 时 $K$ 随 $T$ 增长(Carleman 爆炸);混沌(Lorenz)初值误差放大 $\delta\cdot e^{\lambda t}$ 是信息论障碍,任何计算模型无法绕过
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