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Type: Dissertação
Title: The hermite scheme: an application to the n-body problem
Author: Teixeira, Leonardo da Motta de Vasconcellos
First Advisor: Sato, Fernando
Referee Member: Carvalho, Ana Cláudia Monteiro de
Referee Member: Furones, Maikel Ballester Yusat
Resumo: No último século, métodos computacionais vem sendo aplicados mais e mais a problemas físicos, em especial àqueles que ou são caóticos ou não possuem solução analítica, ou ambos, como é o caso de sistemas que obedecem ao problema de N-corpos. Para resolver tais problemas, é necessário selecionar o método numérico mais adequado, um que leve em consideração ambos o tempo necessário e os recursos computacionais disponíveis ao pesquisador responsável; e para que ele seja capaz de fazê-lo, é necessário que ele tenha uma ampla gama de ferramentas disponíveis. Neste trabalho, mostraremos um método numérico conhecido como o Esquema de Hermite, um integrador de quarta ordem preditor- corretor que faz uso de uma estrutura de Passo de Tempo Individual, tornando-o capaz de processar sistemas em multiescalas. Nós testamos sua precisão e estudamos sua aplicação ao problema de N-corpos, estendendo o resultado a sistemas caóticos em geral. Em seguida, verificamos seu desempenho para um sistema de N-corpos e comparamos o resultado com o desempenho de outro integrador de quarta ordem, o Runge-Kutta. Por último nós reproduzimos resultados reais para verificamos seu desempenho em sistemas multiescala. Nossos resultados mostram que o Esquema de Hermite possui uma boa aplicabilidade para sistemas de N-corpos, com um desempenho ao todo melhor do que um Runge-Kutta de quarta ordem. Ele também apresenta um bom desempenho quando aplicado a sistemas multiescala, com nenhum prejuízo à sua performance temporal total, demonstrando que pode ser aplicado a sistemas multiescala que não somente o problema de N-corpos. Com estas verificações, pretendemos no futuro aplicar este método a sistemas com processos de colisão, e aplicar o resultado final no estudo de formação planetária. O método também apresenta grande potencial para aplicação em sistemas de Física da Matéria Condensada, nos quais pretendemos testar a aplicação do método em sistemas conhecidos no futuro.
Abstract: In the past century, computational methods have been being applied more and more to physical systems, in special to systems which are chaotic in nature or don’t have an analytical solution, or both, such as is the case for systems that obey the N-body problem. To solve such systems, it is necessary to select the most suitable numerical method, one that takes into account both the necessary time and computational resources available to the researcher, and in order to be able to do so, one must have a good set of tools available. In this work we present a numerical method known as the Hermite Scheme, a fourth-order predictor-corrector integrator which makes use of an Individual Time Step structure, making it capable of processing multi-scale systems. We test its accuracy and study its applicability to the N-body problem, extending the result to chaotic systems in general. We then proceed to check its performance for a N-body system, and compare it to the performance of another fourth-order integrator, the Runge-Kutta. Lastly we verify its performance to multi-scale systems by reproducing some real-life results. Our results show that the Hermite Scheme has a good applicability to N-body systems, with an overall performance better than the fourth order Runge-Kutta. It also shows a good performance when applied to multi-scale systems, with no harm to its overall time performance, which can be applied to other multi-scale systems other than the N-body problem. With this verification, we intend to further apply this method to collision processes and apply the final result on the study of planet formation. The method also shows great potential applicability to Condensed Matter Physics, and we intend to test-apply to known systems in the future.
Keywords: Física computacional
Esquema de Hermite
N-corpos
Matéria condensada
Computational physics
Hermite scheme
N-body
Condensed matter physics
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/14375
Issue Date: 18-Feb-2020
Appears in Collections:Doutorado em Física (Teses)



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