哈密顿系统一些保结构算法的构造和分析
马尔可夫链蒙特卡洛方法中的哈密尔顿蒙特卡洛算法解析(九)
马尔可夫链蒙特卡洛方法中的哈密尔顿蒙特卡洛算法解析在统计学、计算机科学和物理学等领域，马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法一直被广泛应用于随机抽样和模拟。
其中，哈密尔顿蒙特卡洛算法是MCMC方法的一种重要变种，它通过模拟哈密尔顿动力学系统来实现对目标分布的抽样。
本文将对哈密尔顿蒙特卡洛算法进行详细解析，介绍其基本原理、算法流程和应用场景。
1. 哈密尔顿蒙特卡洛算法的基本原理哈密尔顿蒙特卡洛算法是由物理学中的哈密尔顿力学系统所启发而来的，它模拟了粒子在势能场中的运动过程。
在MCMC方法中，通常需要从目标分布中抽样，而哈密尔顿蒙特卡洛算法则通过构造Hamiltonian函数来实现对目标分布的抽样。
Hamiltonian函数H(q, p)定义为系统的动能和势能之和，其中q表示系统的位置，p表示系统的动量。
通过Hamiltonian函数，可以得到系统在状态空间中的一组微分方程，即哈密尔顿方程。
在哈密尔顿蒙特卡洛算法中，需要通过数值积分的方式来模拟粒子在状态空间中的运动轨迹，从而实现对目标分布的抽样。
2. 哈密尔顿蒙特卡洛算法的具体流程在哈密尔顿蒙特卡洛算法中，需要依次进行以下步骤：（1）初始化系统状态。
根据目标分布的维度，随机初始化系统的位置和动量。
（2）模拟系统的运动轨迹。
通过数值积分的方法，模拟系统在状态空间中的运动轨迹，直到达到一定的时间步长或者满足一定的条件为止。
（3）接受或拒绝新状态。
根据Metropolis准则，判断新状态是否被接受，从而更新系统的状态。
（4）重复上述步骤，直到满足终止条件。
可以根据需要设置不同的终止条件，如达到一定的迭代次数或者满足一定的收敛准则。
3. 哈密尔顿蒙特卡洛算法的应用场景哈密尔顿蒙特卡洛算法在统计学和物理学等领域有着广泛的应用。
其中，一些具体的应用场景包括：（1）贝叶斯推断。
哈密尔顿蒙特卡洛算法可以用于贝叶斯推断问题的求解，特别是在高维参数空间中的情况下，相比于传统的MCMC方法有着更高的效率和收敛速度。
哈密顿定理
哈密顿定理引言哈密顿定理，又称哈密顿-雅可比定理，是经典力学中的一条重要定理，由威廉·哈密顿于1835年提出。
它是质点力学中的一个基本定理，可以用来描述质点在势力场中的运动。
哈密顿定理在经典力学、量子力学、统计力学等领域都有广泛的应用。
定理表述哈密顿定理的表述如下：对于一个系统，其哈密顿函数H、广义坐标q和广义动量p之间满足以下关系：∂H/∂p = dq/dt∂H/∂q = -dp/dt其中，H是系统的哈密顿函数，q是广义坐标，p是广义动量，t是时间。
定理解释哈密顿定理可以理解为能量守恒的表述。
在一个力学系统中，系统的哈密顿函数代表系统的总能量。
根据哈密顿定理的第一部分，系统的总能量随时间的变化率与广义动量的变化率相等。
这意味着在系统中，能量的改变取决于动量的改变。
同样地，根据哈密顿定理的第二部分，系统的总能量的变化率与广义坐标的变化率的相反数相等。
这意味着在系统中，能量的改变取决于坐标的改变的相反方向。
这样，哈密顿定理给出了系统能量的变化与坐标和动量的关系，进一步揭示了力学系统内部的运动规律。
哈密顿定理的应用1. 力学系统的轨迹预测哈密顿定理可以用来预测力学系统的轨迹。
通过已知的系统的哈密顿函数、广义坐标和广义动量的初值，可以通过哈密顿定理计算出系统在不同时间点上的坐标和动量的数值。
这样，我们就可以通过数值计算的方式得到系统在未来的运动轨迹，从而对系统的行为进行预测。
这在航天器轨道计算、天体运动预测等领域有广泛的应用。
2. 力学系统的稳定性分析哈密顿定理还可以用来分析力学系统的稳定性。
通过对系统的哈密顿函数进行分析，可以得到系统在不同状态下的能量。
通过计算能量的变化率，可以了解系统在不同状态下的稳定性。
如果能量变化率始终小于零，系统就是稳定的。
而如果能量变化率大于零，系统就是不稳定的。
这种稳定性分析可以帮助我们理解力学系统的运动特性，进一步用来设计控制系统、优化工程结构等。
3. 非保守系统的分析哈密顿定理也可以用来分析非保守系统。
哈密顿算子运算公式及推导
哈密顿算子运算公式及推导
哈密顿算子（HamiltonianOperator）是物理系统的动能和位能的组合，通常被认为是物理系统本质由来的参数，用来描述物理系统的性质（物理量）。
2. 公式及推导
哈密顿算子可以用如下公式表示：
H=Hp+Hk
其中，Hp 为位能，Hk 为动能。
（1）位能Hp：一般地，位能公式可以写成
Hp=- 2
它表示的是物体的力学位能，具有空间变化的粒子受到的力学位能，表示为几何位能。
（2）动能Hk：动能Hk 可以用牛顿动力学的方法推导出，用来描述物体受到的动能，即速度的平方加上位移的有关量，即：
Hk=1/2m*(2/x 2+2/y 2+2/z 2)
其中，m 为物体的质量，x，y，z 分别为物体的X，Y，Z 轴坐标。
所以，将上面两个公式相加，得到的哈密顿算子公式可以表示为： H=- 2+1/2m*(2/x 2+2/y 2+2/z 2)
以上就是哈密顿算子运算公式及推导的介绍，哈密顿算子是物理系统本质由来的参数，可以用来描述物理系统的性质，是物理实验中经常用到的重要参数。
15.2-3哈密顿图-dijkstra算法
1
2
3
p4=1 4
3
5 6 p6=3
7
2
6
4
p7=3
min {c23,c25,c47,c67}=min {2+6,2+5,1+2,3+4}=min {8,7,3,7}=3
X={1,2,4,6,7}, p7=3
X={1,2,4,6,7}
p1=0 p2=2 2 1 10 6 5 9
1
2
Hale Waihona Puke 3p4=1 4p5=6 5
推论 n(n≥3)阶有向完全图为哈密尔顿 图.
思考:
一个售货员希望去访问n个城市的每 一个,开始和结束于v1城市。每两城市间 都有一条直接通路,我们记vi城市到vj城市 的距离为W(i,j),问题是去设计一个算法, 它将找出售货员能采取的最短路径。
数学问题:
用图论术语叙述就是:G=〈V,E,W〉是n个顶点 的无向完全图,其中W是从E到正实数集的一个函 数,对在V中任意三点 vi, vj, vk 满足 W(i,j)+W(j,k)≥W(i,k) 试求出赋权图上的最短哈密尔顿回路。
至今未找出有效的方法,但已找到了若干近似算 法. 最邻近算法,它为巡回售货员问题得出近似解。 选任意点作为始点,找出一个与始点最近的点,形成 一条边的初始路径。 设x表示最新加到这条路径上的点,从不在路径上的 所有点中,选一个与x最邻近的点,把连接x与此点的边 加到这条路径中。 重复这一步,直至G中所有顶点包含在路径中。 把始点和最后加入的顶点之间的边放入,这样就得出 一个回路。
T (v j ) min[ (v j ) , P(vi ) li j ] T
3.比较所有具有T标号的节点，把最小者改为P标号，即：
哈密尔顿系统的辛几何算法
哈密尔顿系统的辛几何算法哈密尔顿系统是一类具有特殊的物理意义的动力系统，其在物理学、力学、动力学和计算力学等领域有着广泛应用。
哈密尔顿系统通常具有一组关于位置和动量的相变量，其演化满足哈密尔顿方程。
由于哈密尔顿系统具有良好的保持量和结构稳定性，因此在数值模拟中的算法设计尤其重要。
辛几何算法是一类特殊的数值演化方法，其以保持哈密尔顿系统相变量守恒和辛结构稳定性为目标，常常用于哈密尔顿系统的数值积分。
辛几何算法最早由李约瑟于 1988 年提出，其不仅能够在数值计算中保持相变量的守恒，还能够在哈密尔顿系统的长期演化中保持辛结构稳定性。
辛几何算法主要由两个部分组成，即辛映射和辛算子。
辛映射指的是从一个相变量向下一个相变量的映射，它通常满足“保相量”和辛结构不变性的特点。
保相量指的是相变量在变化过程中的守恒，而辛结构不变性则指的是哈密尔顿系统在演化过程中的辛不变性。
而辛算子则是这个辛映射的数值逼近，常常采用辛波发方法、显式和隐式辛算法等方法。
在演化哈密尔顿系统时，辛几何算法通常采用显式辛算法进行数值模拟。
显式辛算法的主要思路是采用辛映射和辛算子的组合，来实现对哈密尔顿系统的数值模拟。
在模拟过程中，辛几何算法需要保证每一步的演化都是辛的，这样系统才能保持哈密尔顿量以及其他相变量不变。
因此，辛几何算法在数值模拟中的应用非常广泛。
然而，辛几何算法的实现却比较困难。
在数值模拟时，辛几何算法需要考虑一系列问题，如相变量的数值守恒、哈密尔顿量的捕获和重构、快速演化、长时间演化、难以计算的高维效应等等。
这些问题都需要采用一些特殊的技巧和策略来解决。
总的来说，辛几何算法是一种特殊的数值演化方法，其以保持哈密尔顿系统相变量守恒和辛结构稳定性为目标，在计算力学、物理学、动力学等领域有着广泛应用。
哈密顿回路算法
哈密顿回路算法概念：哈密顿图：图G的一个回路，若它通过图的每一个节点一次，且仅一次，就是哈密顿回路。
存在哈密顿回路的图就是哈密顿图。
哈密顿图就是从一点出发，经过所有的必须且只能一次，最终回到起点的路径。
图中有的边可以不经过，但是不会有边被经过两次。
与欧拉图的区别：欧拉图讨论的实际上是图上关于边的可行便利问题，而哈密顿图的要求与点有关。
判定：一：Dirac定理（充分条件）设一个无向图中有N个顶点，若所有顶点的度数大于等于N/2，则哈密顿回路一定存在。
（N/2指的是⌈N/2⌉，向上取整）二：基本的必要条件设图G=《V，E》是哈密顿图，则对于v的任意一个非空子集S，若以|S|表示S中元素的数目，G-S表示G中删除了S中的点以及这些点所关联的边后得到的子图，则W（G-S）《=|S|成立。
其中W（G-S）是G-S中联通分支数。
三：竞赛图（哈密顿通路）N（N》=2）阶竞赛图一点存在哈密顿通路。
算法：一：在Dirac定理的前提下构造哈密顿回路过程：1：任意找两个相邻的节点S和T，在其基础上扩展出一条尽量长的没有重复结点的路径。
即如果S与结点v相邻，而且v不在路径S -》T上，则可以把该路径变成v -》S -》T，然后v成为新的S.从S和T分别向两头扩展，直到无法继续扩展为止，即所有与S或T 相邻的节点都在路径S -》T上。
2：若S与T相邻，则路径S -》T形成了一个回路。
3：若S与T不相邻，可以构造出来一个回路。
设路径S -》T上有k+2个节点，依次为S，v1，v2，。
，vk，T.可以证明存在节点vi（i属于［1，k］），满足vi与T相邻，且vi+1与S相邻。
找到这个节点vi，把原路径变成S -》vi -》T -》vi+1 -》S，即形成了。
ACMer需要掌握的算法讲解
ACM主要算法介绍初期篇一、基本算法(1)枚举(poj1753, poj2965)(2)贪心(poj1328, poj2109, poj2586)(3)递归和分治法(4)递推(5)构造法(poj3295)(6)模拟法(poj1068, poj2632, poj1573, poj2993, poj2996)二、图算法(1)图的深度优先遍历和广度优先遍历(2)最短路径算法(dijkstra, bellman-ford, floyd, heap+dijkstra)(poj1860, poj3259, poj1062, poj2253, poj1125, poj2240)(3)最小生成树算法(prim, kruskal)(poj1789, poj2485, poj1258, poj3026)(4)拓扑排序(poj1094)(5)二分图的最大匹配(匈牙利算法)(poj3041, poj3020)(6)最大流的增广路算法(KM算法)(poj1459, poj3436)三、数据结构(1)串(poj1035, poj3080, poj1936)(2)排序(快排、归并排(与逆序数有关)、堆排)(poj2388, poj2299)(3)简单并查集的应用(4)哈希表和二分查找等高效查找法(数的Hash, 串的Hash)(poj3349, poj3274, POJ2151, poj1840, poj2002, poj2503)(5)哈夫曼树(poj3253)(6)堆(7)trie树(静态建树、动态建树)(poj2513)四、简单搜索(1)深度优先搜索(poj2488, poj3083, poj3009, poj1321, poj2251)(2)广度优先搜索(poj3278, poj1426, poj3126, poj3087, poj3414)(3)简单搜索技巧和剪枝(poj2531, poj1416, poj2676, 1129)五、动态规划(1)背包问题(poj1837, poj1276)(2)型如下表的简单DP(可参考lrj的书page149)：1.E[j]=opt{D+w(i,j)} (poj3267, poj1836, poj1260, poj2533)2.E[i,j]=opt{D[i-1,j]+xi,D[i,j-1]+yj,D[i-1][j-1]+zij} (最长公共子序列)(poj3176, poj1080, poj1159)3.C[i,j]=w[i,j]+opt{C[i,k-1]+C[k,j]} (最优二分检索树问题)六、数学(1)组合数学1.加法原理和乘法原理2.排列组合3.递推关系(poj3252, poj1850, poj1019, poj1942)(2)数论1.素数与整除问题2.进制位3.同余模运算(poj2635, poj3292, poj1845, poj2115)(3)计算方法1.二分法求解单调函数相关知识(poj3273, poj3258, poj1905, poj3122)七、计算几何学(1)几何公式(2)叉积和点积的运用(如线段相交的判定，点到线段的距离等)(poj2031, poj1039)(3)多边型的简单算法(求面积)和相关判定(点在多边型内，多边型是否相交)(poj1408, poj1584)(4)凸包(poj2187, poj1113)中级篇一、基本算法(1)C++的标准模版库的应用(poj3096, poj3007)(2)较为复杂的模拟题的训练(poj3393, poj1472, poj3371, poj1027,poj2706)二、图算法(1)差分约束系统的建立和求解(poj1201, poj2983)(2)最小费用最大流(poj2516, poj2195)(3)双连通分量(poj2942)(4)强连通分支及其缩点(poj2186)(5)图的割边和割点(poj3352)(6)最小割模型、网络流规约(poj3308)三、数据结构(1)线段树(poj2528, poj2828, poj2777, poj2886, poj2750)(2)静态二叉检索树(poj2482, poj2352)(3)树状树组(poj1195, poj3321)(4)RMQ(poj3264, poj3368)(5)并查集的高级应用(poj1703, 2492)(6)KMP算法(poj1961, poj2406)四、搜索(1)最优化剪枝和可行性剪枝(2)搜索的技巧和优化(poj3411, poj1724)(3)记忆化搜索(poj3373, poj1691)五、动态规划(1)较为复杂的动态规划(如动态规划解特别的施行商问题等)(poj1191, poj1054, poj3280, poj2029, poj2948, poj1925, poj3034)(2)记录状态的动态规划(poj3254, poj2411, poj1185)(3)树型动态规划(poj2057, poj1947, poj2486, poj3140)六、数学(1)组合数学1.容斥原理2.抽屉原理3.置换群与Polya定理(poj1286, poj2409, poj3270, poj1026)4.递推关系和母函数(2)数学1.高斯消元法(poj2947, poj1487, poj2065, poj1166, poj1222)2.概率问题(poj3071, poj3440)3.GCD、扩展的欧几里德(中国剩余定理)(poj3101)(3)计算方法1.0/1分数规划(poj2976)2.三分法求解单峰(单谷)的极值3.矩阵法(poj3150, poj3422, poj3070)4.迭代逼近(poj3301)(4)随机化算法(poj3318, poj2454)(5)杂题(poj1870, poj3296, poj3286, poj1095)七、计算几何学(1)坐标离散化(2)扫描线算法(例如求矩形的面积和周长，并常和线段树或堆一起使用)(poj1765, poj1177, poj1151, poj3277, poj2280, poj3004)(3)多边形的内核(半平面交)(poj3130, poj3335)(4)几何工具的综合应用(poj1819, poj1066, poj2043, poj3227, poj2165, poj3429)高级篇一、基本算法要求(1)代码快速写成，精简但不失风格(poj2525, poj1684, poj1421,poj1048, poj2050, poj3306)(2)保证正确性和高效性(poj3434)二、图算法(1)度限制最小生成树和第K最短路(poj1639)(2)最短路，最小生成树，二分图，最大流问题的相关理论(主要是模型建立和求解)(poj3155, poj2112, poj1966, poj3281, poj1087, poj2289, poj3216, poj2446)(3)最优比率生成树(poj2728)(4)最小树形图(poj3164)(5)次小生成树(6)无向图、有向图的最小环三、数据结构(1)trie图的建立和应用(poj2778)(2)LCA和RMQ问题(LCA(最近公共祖先问题)，有离线算法(并查集+dfs)和在线算法(RMQ+dfs))(poj1330)(3)双端队列和它的应用(维护一个单调的队列，常常在动态规划中起到优化状态转移的目的)(poj2823)(4)左偏树(可合并堆)(5)后缀树(非常有用的数据结构，也是赛区考题的热点)(poj3415,poj3294)四、搜索(1)较麻烦的搜索题目训练(poj1069, poj3322, poj1475, poj1924,poj2049, poj3426)(2)广搜的状态优化：利用M进制数存储状态、转化为串用hash表判重、按位压缩存储状态、双向广搜、A*算法(poj1768, poj1184, poj1872, poj1324, poj2046, poj1482)(3)深搜的优化：尽量用位运算、一定要加剪枝、函数参数尽可能少、层数不易过大、可以考虑双向搜索或者是轮换搜索、IDA*算法(poj3131, poj2870, poj2286)五、动态规划(1)需要用数据结构优化的动态规划(poj2754, poj3378, poj3017)(2)四边形不等式理论(3)较难的状态DP(poj3133)六、数学(1)组合数学1.MoBius反演(poj2888, poj2154)2.偏序关系理论(2)博奕论1.极大极小过程(poj3317, poj1085)2.Nim问题七、计算几何学(1)半平面求交(poj3384, poj2540)(2)可视图的建立(poj2966)(3)点集最小圆覆盖(4)对踵点(poj2079)八、综合题(poj3109, poj1478, poj1462, poj2729, poj2048, poj3336, poj3315, poj2148, poj1263)附录：POJ是“北京大学程序在线评测系统”（Peking University Online Judge）的缩写，是个提供编程题目的网站，兼容Pascal、C、C＋＋、Java、Fortran等多种语言。
哈密顿算法遍历
哈密顿算法遍历哈密顿算法是一种常用于图论中的遍历算法，用于寻找图中的哈密顿路径或哈密顿回路。
哈密顿路径是指一个无向图中通过每个顶点一次且仅一次的路径，而哈密顿回路则是指一个无向图中通过每个顶点一次且仅一次的闭合路径。
该算法的实现原理是通过深度优先搜索（DFS）来遍历图中的所有可能路径，在每个顶点上进行回溯，直到找到满足条件的哈密顿路径或回路。
下面将详细介绍哈密顿算法的遍历流程和关键步骤。
1.首先，确定起始顶点。
在哈密顿算法中，起始顶点对结果并不产生影响，因为哈密顿路径或回路可以从任意顶点开始。
因此，选择任意一个顶点作为起点，将其标记为已访问。
2.接下来，进入递归回溯的过程。
从起点开始，选择一个邻接顶点作为下一个访问的节点，并将其标记为已访问。
然后，继续对该邻接顶点进行递归回溯，直到满足下面两个终止条件之一：- 所有的顶点都已经访问过，即构成了一条哈密顿路径或回路。
- 当前深度已经达到图中的总顶点数，但没有形成哈密顿路径或回路。
3.在进行递归回溯时，需要做以下判断：- 判断当前顶点是否为未访问过的顶点，如果是，则选择该顶点作为下一个访问节点，并标记为已访问。
- 判断当前顶点是否与起始顶点相邻，如果是，则判断是否满足哈密顿回路的条件，即所有顶点都已经访问过。
如果是，则输出该路径或回路。
- 判断当前顶点是否与起始顶点不相邻，如果是，则判断是否满足哈密顿路径的条件，即所有顶点都已经访问过。
如果是，则输出该路径。
4.若当前顶点的邻接顶点都已经访问过，或者当前深度已经达到图中的总顶点数，但没有形成哈密顿路径或回路，则进行回溯。
回溯时，将当前顶点重新标记为未访问，并返回上一层递归。
通过以上步骤，可以使用哈密顿算法来遍历图中的所有可能的哈密顿路径或回路。
在实际应用中，哈密顿算法可以用于解决旅行推销员问题、电路布线问题等，具有重要的实际意义。
总结起来，哈密顿算法遍历的核心思想是通过深度优先搜索来枚举图中的所有路径，并进行回溯来寻找满足哈密顿路径或回路的条件。
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哈密顿系统一些保结构算法的构造和分析一切真实的,耗散可忽略不计的物理过程都可以用哈密顿系统进行描述.哈密顿系统有两个最重要的性质,一个是辛结构,另一个就是能量守恒.正确计算哈密顿系统非常重要.近年来,能够保持哈密顿系统辛结构或能量的保结构方法已经得到了很大的发展.本文讨论哈密顿系统一些保结构算法的构造和分析,主要研究成果如下：I.近几年,人们构造了等离子物理中洛伦兹力系统的保结构格式,比如保体积格式和保辛格式.然而这些格式都不能保持系统能量.我们把洛伦兹力系统写为一个非典则的哈密顿系统,然后利用Boole离散线积分方法进行求解,得到洛伦兹力系统的一个新的格式.该方法可以保持系统哈密顿能量达到机器精度.II.我们研究如何利用二,三和四阶AVF方法求解哈密顿偏微分方程.对非线性薛定谔方程,空间用Fourier拟谱方法半离散,时间用三个AVF方法进行离散,得到该方程三个不同精度的AVF格式.我们用数值实验验证了这三个格式的精度和保能量守恒特性.III.基于根树和B-级数理论,我们给出了5阶树的带入规则的具体公式.利用新得到的带入规则,我们把二阶AVF方法提高到高阶精度,给出了一个新的AVF方法.我们证明了,新方法具有6阶精度,并且可以保持哈密顿系统能量.我们利用六阶AVF方法求解非线性哈密顿系统,并测试了其精度和能量守恒特性.IV.在哈密顿偏微分方程保结构算法框架下,我们研究了基于系统弱形式的空间离散方法.首先,空间用有限元法或谱元法对偏微分方程进行半离散,把得到的常微分方程组写成一个哈密顿系统.然后,我们用一个保结构方法对这个常微分哈密顿系统进行求解,得到一个全离散保结构格式.我们用这个方法对一维非线性薛定谔(NLS)方程进行求解,其中空间用Legendre谱元法,时间用AVF
方法,得到一个新的保能量方法.同样对一维NLS方程,我们在空间用Galerkin
有限元方法,时间用Crank-Nicolson格式离散,则得到一个同时保能量和质量的格式.对二维NLS方程,空间用Galerkin谱元法,时间用Crank-Nicolson格式离散,得到一个同时保能量和质量的格式.而对Klein-Gordon-Schrodinger方程空间用Galerkin方法,时间用辛Stomer-Verlet方法离散,得到一个显式辛格式.对自旋为1的Bose-Einstein凝聚态(BEC)中耦合Gross-Pitaevskii(GP)方程,空间用Galerkin方法,时间用隐中点辛格式离散,则得到一个新的同时保系统辛结构,质量和磁场强度的格式.对自旋轨道耦合的BEC中耦合GP方程离散,空间用Galerkin方法,时间用Crank-Nicolson格式,得到的新格式可以同时保能量和质量.我们做了数值实验验证理论结果.。