We consider the solution of large stiff systems of ordinary differential equations with explicit exponential Runge--Kutta integrators. These problems arise from semi-discretized semi-linear parabolic partial differential equations on continuous domains or on inherently discrete graph domains. A series of results reduces the requirement of computing linear combinations of $\varphi$-functions in exponential integrators to the approximation of the action of a smaller number of matrix exponentials on certain vectors. State-of-the-art computational methods use polynomial Krylov subspaces of adaptive size for this task. They have the drawback that the required Krylov subspace iteration numbers to obtain a desired tolerance increase drastically with the spectral radius of the discrete linear differential operator, e.g., the problem size. We present an approach that leverages rational Krylov subspace methods promising superior approximation qualities. We prove a novel a-posteriori error estimate of rational Krylov approximations to the action of the matrix exponential on vectors for single time points, which allows for an adaptive approach similar to existing polynomial Krylov techniques. We discuss pole selection and the efficient solution of the arising sequences of shifted linear systems by direct and preconditioned iterative solvers. Numerical experiments show that our method outperforms the state of the art for sufficiently large spectral radii of the discrete linear differential operators. The key to this are approximately constant rational Krylov iteration numbers, which enable a near-linear scaling of the runtime with respect to the problem size.


翻译:我们考虑使用显式指数龙格-库塔积分器求解大规模刚性常微分方程组。这些问题源于连续域或固有离散图域上半离散化的半线性抛物型偏微分方程。一系列研究将指数积分器中$\varphi$函数线性组合的计算需求,简化为对更少数量的矩阵指数作用于特定向量的逼近。当前最优计算方法采用自适应规模的Krylov子空间来完成此任务。其缺点在于,当离散线性微分算子的谱半径(例如问题规模)增大时,达到期望容差所需的Krylov子空间迭代次数会急剧增加。我们提出一种利用有理Krylov子空间方法的方法,该方法具有更优的逼近性能。我们针对单时间点上矩阵指数作用于向量的有理Krylov逼近,证明了新的后验误差估计,这使得能够采用类似现有多项式Krylov技术的自适应方法。我们讨论了极点选择问题,以及通过直接求解器和预条件迭代求解器高效处理由此产生的移位线性系统序列。数值实验表明,当离散线性微分算子的谱半径足够大时,我们的方法优于现有最优方法。其关键在于有理Krylov迭代次数近似恒定,从而使得运行时间相对问题规模呈近线性缩放。

0
下载
关闭预览

相关内容

【AAAI2023】FacT:视觉Transformer上轻量级自适应的因子精调
专知会员服务
17+阅读 · 2022年12月8日
南大《优化方法 (Optimization Methods》课程,推荐!
专知会员服务
80+阅读 · 2022年4月3日
专知会员服务
23+阅读 · 2021年4月10日
深度卷积神经网络中的降采样
极市平台
12+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
【泡泡一分钟】DS-SLAM: 动态环境下的语义视觉SLAM
泡泡机器人SLAM
23+阅读 · 2019年1月18日
【泡泡一分钟】基于运动估计的激光雷达和相机标定方法
泡泡机器人SLAM
25+阅读 · 2019年1月17日
Zero-Shot Learning相关资源大列表
专知
52+阅读 · 2019年1月1日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月18日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月17日
VIP会员
最新内容
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
3+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
4+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
10+阅读 · 5月30日
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
7+阅读 · 5月30日
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
战略前沿人工智能的再思考(中文)
专知会员服务
8+阅读 · 5月29日
《量化地基防空系统间接效应的博弈论方法》
专知会员服务
6+阅读 · 5月29日
相关VIP内容
【AAAI2023】FacT:视觉Transformer上轻量级自适应的因子精调
专知会员服务
17+阅读 · 2022年12月8日
南大《优化方法 (Optimization Methods》课程,推荐!
专知会员服务
80+阅读 · 2022年4月3日
专知会员服务
23+阅读 · 2021年4月10日
相关资讯
深度卷积神经网络中的降采样
极市平台
12+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
【泡泡一分钟】DS-SLAM: 动态环境下的语义视觉SLAM
泡泡机器人SLAM
23+阅读 · 2019年1月18日
【泡泡一分钟】基于运动估计的激光雷达和相机标定方法
泡泡机器人SLAM
25+阅读 · 2019年1月17日
Zero-Shot Learning相关资源大列表
专知
52+阅读 · 2019年1月1日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员