On the numerical solution of second-order stiff linear differential-algebraic equations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This article addresses systems of linear ordinary differential equations with an identically degenerate matrix in the main part. Such formulations of problems in literature are usually called differential-algebraic equations. In this work, attention is paid to the problems of the second order. Basing on the theory of matrix pencils and polynomials, sufficient conditions for existence and uniqueness of the equations’ solution are given. To solve them numerically, authors investigate a multistep method and its version based on a reformulated notation of the original problem. This representation makes it possible to construct methods whose coefficient matrices can be calculated at previous points. This approach has delivered good results in numerical solution of first-order differential-algebraic equations that contain stiff and rapidly oscillating components and have singular matrix pencil. The stability of proposed numerical algorithm is investigated for the well-known test equation. It is shown that this difference scheme has the first order of convergence. Numerical calculations of the model problem are presented.

About the authors

Liubov S. Solovarova

Matrosov Institute for System Dynamics and Control Theory of SB RAS

Email: soleilu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3392-5232

Senior Researcher, Laboratory 1.1, Ph.D. (Phys.-Math.)

Russian Federation, 134 Lermontova s., Irkutsk 664033, Russia

Ta D. Phuong

Institute of Mathematics of the Vietnamese Academy of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: tdphuong@math.ac.vn
ORCID iD: 0000-0001-6955-1589

Associate Professor

Viet Nam, 18 Hoang Quoc Viet Road, Hanoi 10307, Vietnam

References

  1. Yu. E. Boyarintsev, [Regular and singular systems of ordinary differential equations], Nauka Publ., Novosibirsk, 1980 (In Russ.), 222 p.
  2. K. F. Brenan, S. L. Campbell, L. R. Petzold, Numerical solution of initial-value problems in differential-algebraic equations, SIAM, Philadelphia, 1996, 270 p.
  3. E. Hairer, G. Wanner, Solving ordinary differential equations II: stiff and differentialalgebraic problems, Springer-Verlag, Berlin, 1996, 614 p.
  4. R. Lamour, R. März , C. Tischendorf, Differential-algebraic equations: A projector based analysis, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2013, 649 p.
  5. M. N. Afanaseva, E. B. Kuznetsov, “The method of continuous continuation by a parameter for solving boundary-value problems for nonlinear systems of differentialalgebraic equations with delay that have singular points”, Itogi Nauki i Tekhniki. Ser. Sovrem. Mat. Pril. Temat. Obz., 192 (2021), 38–45 (In Russ.). DOI:
  6. https://doi.org/10.36535/0233-6723-2021-192-38-45
  7. V. F. Chistyakov, [Algebraic differential operators with a finite-dimensional kernel], Nauka Publ., Novosibirsk, 1996 (In Russ.), 280 p.
  8. V. F. Chistyakov, “Preservation of stability type of difference schemes when solving stiff differential algebraic equations”, Numer. Analys. Appl., 4 (2011), 363–375. DOI: https://doi.org/10.1134/S1995423911040082
  9. J. Sand, “On implicit Euler and related methods for high-order highindex DAEes”, Applied Numerical Mathematics, 42 (2002), 411–424. DOI:https://doi.org/10.1016/S0168-9274(01)00164-7
  10. V. Mehrmann, C. Shi, “Transformation of high order linear differential-algebraic systems to first order”, Numerical Algorithms, 42 (2006), 281–307. DOI:https://doi.org/10.1007/s11075-006-9030-x
  11. M. V. Bulatov, Ming-Gong Lee, L. S. Solovarova, “On first- and second-order difference schemes for differential-algebraic equations of index at most two”, Comput. Math. and Math. Phys., 50 (2010), 1808–1817. DOI: https://doi.org/10.1134/S0965542510110047
  12. F. Gantmacher, The theory of matrices, Chelsea Publishing Company, New York, 1959, 337 p.
  13. Yu. E. Boyarintsev, I. V. Orlova, [Pencil matrix and algebraic-differential systems], Nauka Publ., Novosibirsk, 2006, 124 p.
  14. M. V. Bulatov, M.-G. Lee, “Applications of matrix polynomials to the analysis of linear differential-algegraic equations of higher order”, Differential Equations, 44 (2008), 1353–1360. DOI: https://doi.org/10.1134/S0012266108100017
  15. V. F. Chistyakov, [On the extension of linear systems that are not resolved with respect to derivatives], IRC SB AS USSR, Irkutsk, 1986 (In Russ.), 25 p.
  16. R. Marz, “Differential-algebraic systems anew”, Appl. Numer. Math., 42 (2002), 315–335. DOI: https://doi.org/10.18452/2660
  17. P. Kunkel, V. Mehrmann, “Stability properties of differential-algebraic equations and spin-stabilized diskretizations”, Electr. Trans. Numer. Analys., 26 (2007), 385–420.
  18. E. Hairer, G. Wanner, S. P. Norsett, Solving ordinary differential equations I: Nonstiff problems, Springer-Verlag, Berlin, 1987, 539 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2026 Solovarova L.S., Phuong T.D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».