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具有层次张量表示的自适应随机Galerkin有限元法。 (英语) Zbl 1397.65262号

摘要:随机数据的PDE解通常会导致高维代数问题,例如存在乘性噪声时。本文所考虑的随机Galerkin有限元则受到了维数灾难的影响。这与充分表示PDE中包含的随机场所需的随机变量数量直接相关。通过所提出的新方法,我们通过结合两种高效的模型简化策略来规避这一主要的复杂性障碍,即该问题的张量列格式的现代低秩张量表示和基于后验误差估计的精化算法,以自适应地调整所采用的不同离散化。自适应调整包括基于残差估计的有限元网格细化、各向异性Legendre-Wiener混沌中的问题自适应随机离散化以及张量秩的连续增加。对于离散化和问题的预处理ALS格式的迭代解产生的所有误差项,导出了可计算的后验误差估计。引人注目的是,可以利用问题的张量结构非常有效地评估所有误差项。一组基准问题说明了具有高阶有限元的自适应算法的性能。此外,还研究了张量秩对近似质量的影响。

MSC公司:

65N30型 含偏微分方程边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
35卢比60 随机偏微分方程的偏微分方程
47B80型 随机线性算子
60华氏35 随机方程的计算方法(随机分析方面)
65J10型 线性算子方程的数值解
65N12号 偏微分方程边值问题数值方法的稳定性和收敛性
65N22型 含偏微分方程边值问题离散方程的数值解
65N75型 涉及偏微分方程边值问题的概率方法、粒子方法等
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参考文献:

[1] Ainsworth,M.,Oden,J.T.:有限元分析中的后验误差估计。《纯粹与应用数学》(纽约)。Wiley Interscience[Wiley],纽约(2000年)·Zbl 1008.65076号
[2] Babuška,I.,Chatzipantelidis,P.:关于求解椭圆随机偏微分方程。计算。方法应用。机械。工程191(37-38),4093-4122(2002)·Zbl 1019.65010号 ·doi:10.1016/S0045-7825(02)00354-7
[3] Babuška,I.,Nobile,F.,Tempone,R.:具有随机输入数据的椭圆偏微分方程的随机配置方法。SIAM J.数字。分析。45(3), 1005-1034 (2007) ·Zbl 1151.65008号 ·doi:10.1137/050645142
[4] Babuška,I.,Tempone,R.,Zouraris,G.E.:随机椭圆偏微分方程的Galerkin有限元近似。SIAM J.数字。分析。42(2), 800-825 (2004) ·Zbl 1080.65003号 ·doi:10.1137/S0036142902418680
[5] Babuška,I.,Tempone,R.,Zouraris,G.E.:用有限元方法求解不确定系数的椭圆边值问题:随机公式。计算。方法应用。机械。工程194(12-16),1251-1294(2005)·Zbl 1087.65004号 ·doi:10.1016/j.cma.2004.02.026
[6] Bachmayr,M.,Cohen,A.,Migliorati,G.:参数椭圆偏微分的稀疏多项式近似。第一部分:仿射系数(2015)。arXiv:1509.07045·Zbl 1365.41003号
[7] Ballani,J.,Grasedyck,L.:参数相关pde输出量的层次张量近似。SIAM/ASA J.不确定性量化。3(1), 852-872 (2015) ·Zbl 1327.65010号 ·doi:10.1137/140960980
[8] Bespalov,A.,Powell,C.E.,Silvester,D.:参数算子方程的能量范数后验误差估计。SIAM J.科学。计算。36(2),A339-A363(2014)·Zbl 1294.35199号
[9] Braess,D.:《有限元:弹性理论中的理论、快速求解器和应用》(Schumacer,L.L,德语翻译)剑桥大学出版社,剑桥(2007)·Zbl 1118.65117号
[10] Carstensen,C.,Eigel,M.,Hoppe,R.H.W.,Löbhard,C.:统一后验有限元误差控制综述。数字。数学。西奥。方法。申请。5(4), 509-558 (2012) ·Zbl 1289.65249号 ·doi:10.4208/nmtma.2011.m1032
[11] Chen,P.,Quarteroni,A.,Rozza,G.:具有随机输入数据的椭圆偏微分方程的加权约化基方法。SIAM J.数字。分析。51(6), 3163-3185 (2013) ·Zbl 1288.65007号 ·doi:10.1137/130905253
[12] Chen,P.,Quarteroni,A.,Rozza,G.:椭圆问题的约化基和随机配置方法的比较。科学杂志。计算。59(1), 187-216 (2014) ·Zbl 1301.65007号 ·doi:10.1007/s10915-013-9764-2
[13] Cohen,A.,DeVore,R.,Schwab,C.:一类椭圆sPDE的最佳项Galerkin逼近的收敛速度。已找到。计算。数学。10(6), 615-646 (2010) ·Zbl 1206.60064号 ·doi:10.1007/s10208-010-9072-2
[14] Cohen,A.,Devore,R.,Schwab,C.:参数和随机椭圆偏微分方程的解析正则性和多项式逼近。分析。申请。(新加坡)9(1),11-47(2011)·Zbl 1219.35379号 ·doi:10.1142/S0219530511001728
[15] de Silva,V.,Lim,L.H.:张量秩和最佳低秩近似问题的不适定性。SIAM J.矩阵分析。申请。30(3), 1084-1127 (2008) ·Zbl 1167.14038号 ·数字对象标识码:10.1137/06066518X
[16] Deb,M.K.,Babuška,I.M.,Oden,J.T.:使用Galerkin有限元技术求解随机偏微分方程。计算。方法应用。机械。工程190(48),6359-6372(2001)·Zbl 1075.65006号 ·doi:10.1016/S0045-7825(01)00237-7
[17] Sergey,D.,Khoromskij,B.N.,Litvinenko,A.,Matthies,H.G.:张量序列数据格式中响应面的计算(2014)。arXiv:1406.2816·Zbl 1329.65271号
[18] Dolgov,S.,Khoromskij,B.N.,Litvinenko,A.,Matthies,H.G.:随机系数的多项式混沌展开和张量列格式的随机偏微分方程的解(2015)。arXiv预印本。arXiv:1503.03210·Zbl 1329.65271号
[19] Dolgov,S.V.,Savostyanov,D.V.:高维线性系统的交替最小能量方法。SIAM J.科学。计算。36(5),A2248-A2271(2014)·Zbl 1307.65035号 ·doi:10.137/140953289
[20] Eigel,M.,Gittelson,C.J.,Schwab,C.,Zander,E.:自适应随机Galerkin FEM。计算。方法应用。机械。工程270、247-269(2014)·Zbl 1296.65157号 ·doi:10.1016/j.cma.2013.11.015
[21] Eigel,M.,Gittelson,C.J.,Schwab,C.,Zander,E.:具有准最优空间网格的收敛自适应随机galerkin有限元方法。ESAIM数学。模型。数字。分析。49(5), 1367-1398 (2015) ·Zbl 1335.65006号 ·doi:10.1051/m2安/2015017
[22] Eigel,M.,Merdon,C.:自适应随机高阶伽辽金有限元中保证误差控制的局部平衡误差估计。WIAS预印本(1997)(2014)·兹比尔1398.65297
[23] Eigel,M.,Zander,E.:[\mathtt{alea}\]alea-不确定性量化中谱方法和低秩近似的Python框架。https://bitbucket.org/aleadev/alea网站 ·Zbl 1143.65392号
[24] Ernst,O.G.,Mugler,A.,Starkloff,H.,Ullmann,E.:关于广义多项式混沌展开式的收敛性。技术报告60,DFG Schwerpunktprogramm 1324,(2010)·Zbl 1273.65012号
[25] Espig,M.,Hackbusch,W.,Khachatryan,A.:关于张量格式表示中交替最小二乘优化的收敛性。423, (2015). arXiv:1506.00062
[26] Espig,M.,Hackbusch,W.,Litvinenko,A.,Matthies,H.G.,Wähnert,P.:张量格式中随机Galerkin矩阵的有效低阶近似。马克斯·普朗克科学数学研究所预印本(2012年)·Zbl 1350.65005号
[27] Espig,M.、Hackbusch,W.、Litvinenko,A.、Matthies,H.G.、Zander,E.:张量格式高维数据的有效分析。《稀疏网格和应用》,第31-56页。施普林格(2013)·兹比尔1075.65006
[28] FEniCS项目-用有限元法自动求解微分方程。http://fenicsproject.org ·Zbl 1296.65157号
[29] Fischer,J.,Otto,F.:随机椭圆算子的高阶大规模正则性理论。MPI-MIS莱比锡预印本(2015)·Zbl 1349.35440号
[30] Frauenfelder,P.,Christoph,S.,Todor,R.A.:随机系数椭圆问题的有限元。计算。方法应用。机械。工程194(2-5),205-228(2005)·Zbl 1143.65392号 ·doi:10.1016/j.cma.2004.04.008
[31] Garcia,L.D.,Stillman,M.,Sturmfels,B.:贝叶斯网络的代数几何。J.符号计算。39(3-4), 331-355 (2005). (MEGA 2003特刊)·Zbl 1126.68102号 ·doi:10.1016/j.jsc.2004.11.007
[32] Ghanem,R.G.,Kruger,R.M.:谱随机有限元系统的数值解。计算。方法应用。机械。工程129(3),289-303(1996)·Zbl 0861.73071号 ·doi:10.1016/0045-7825(95)00909-4
[33] Ghanem,R.G.,Spanos,P.D.:随机有限元:谱方法。施普林格,纽约(1991)·Zbl 0722.73080号
[34] Gittelson,C.J.:具有无穷维噪声的算子方程的随机Galerkin近似。2011-10年技术报告,苏黎世联邦理工学院应用数学研讨会(2011年)·Zbl 1289.65249号
[35] Grasedyck,L.:张量的层次奇异值分解。SIAM J.矩阵分析。申请。31(4), 2029-2054 (2010) ·Zbl 1210.65090号
[36] Gunzburger,M.D.,Webster,C.G.,Zhang,G.:具有随机输入数据的偏微分方程的随机有限元方法。Acta Numer公司。23, 521-650 (2014) ·Zbl 1398.65299号
[37] Hackbusch,W.:张量空间和数值张量演算。Springer计算数学系列,第42卷。斯普林格,海德堡(2012)·Zbl 1244.65061号
[38] Hackbusch,W.:数值张量演算。Acta Numer公司。23, 651-742 (2014) ·Zbl 1396.65091号 ·doi:10.1017/S0962492914000087
[39] Hackbusch,W.,Kühn,S.:张量表示的一种新方案。J.傅里叶分析。申请。15(5), 706-722 (2009) ·Zbl 1188.15022号 ·doi:10.1007/s00041-009-9094-9
[40] Hackbusch,W.,Schneider,R.:张量空间和层次张量表示。In:外部。数量。信息复杂系统。,第237-261页。斯普林格(2014)·Zbl 1317.65102号
[41] Holtz,S.、Rohwedder,T.、Schneider,R.:张量序列格式中张量优化的交替线性方案。SIAM J.科学。计算。34(2),A683-A713(2012)·Zbl 1252.15031号 ·doi:10.1137/100818893
[42] Holtz,S.,Rohwedder,T.,Schneider,R.:关于固定TT-rank张量的流形。数字数学120(4),701-731(2012)·兹比尔1242.15022 ·doi:10.1007/s00211-011-0419-7
[43] Khoromskij,B.N.,Oseledets,I.V.:参数相关和随机椭圆偏微分方程的量化-TT配置近似。计算。方法应用。数学。10(4), 376-394 (2010) ·Zbl 1283.65039号
[44] Khoromskij,B.N.,Schwab,C.:参数和随机椭圆偏微分方程的张量结构Galerkin近似。SIAM J.科学。计算。33(1), 364-385 (2011) ·Zbl 1243.65009号 ·doi:10.1137/100785715
[45] Kolda,T.G.,Bader,B.W.:张量分解和应用。SIAM版本51(3),455-500(2009)·Zbl 1173.65029号 ·doi:10.1137/07070111X
[46] Landsberg,J.M.:张量:几何与应用。参加:美国数学学会数学研究生课程,美国(2012年)·Zbl 1238.15013号
[47] De Lathauwer,L.,De Moor,B.,Vandewalle,J.:多重线性奇异值分解。SIAM J.矩阵分析。申请。21(4), 1253-1278 (2000) ·兹比尔0962.15005 ·doi:10.1137/S0895479896305696
[48] Matthies,H.G.,Keese,A.:线性和非线性椭圆随机偏微分方程的Galerkin方法。计算。方法应用。机械。工程194(12-16),1295-1331(2005)·Zbl 1088.65002号 ·doi:10.1016/j.cma.2004.05.027
[49] Nobile,F.,Tempone,R.,Webster,C.G.:具有随机输入数据的偏微分方程的各向异性稀疏网格随机配置方法。SIAM J.数字。分析。46(5), 2411-2442 (2008) ·Zbl 1176.65007号
[50] Nobile,F.,Tempone,R.,Webster,C.G.:具有随机输入数据的偏微分方程的稀疏网格随机配置方法。SIAM J.数字。分析。46(5), 2309-2345 (2008) ·Zbl 1176.65137号
[51] Oseledets,I.:张量-应变分解。SIAM J.科学。计算。33(5), 2295-2317 (2011) ·Zbl 1232.15018号 ·doi:10.1137/090752286
[52] Oseledets,I.V.:ttpy——TT-Toolbox的Python实现。https://github.com/oseledets/ttpy ·Zbl 1173.65029号
[53] Oseledets,I.V.:张量-应变分解。SIAM J.科学。计算。33(5), 2295-2317 (2011) ·Zbl 1232.15018号
[54] Oseledets,I.V.,Tyrtyshnikov,E.:多维阵列的TT-交叉近似。线性代数应用。432(1), 70-88 (2010) ·兹比尔1183.65040 ·doi:10.1016/j.laa.2009.07.024
[55] Pellissetti,M.F.,Ghanem,R.G.:随机有限元背景下线性方程组的迭代解。高级工程师软件。31(8), 607-616 (2000) ·Zbl 1003.68553号 ·doi:10.1016/S0965-9978(00)00034-X
[56] Powell,C.E.,Elman,H.C.:谱随机有限元系统的块对角预处理。IMA J.数字。分析。29, 350-375 (2009) ·Zbl 1169.65007号
[57] Rohwedder,T.,Uschmajew,A.:关于张量列格式中凸问题优化的交替格式的局部收敛性。SIAM J.数字。分析。51(2), 1134-1162 (2013) ·Zbl 1273.65088号 ·doi:10.1137/110857520
[58] Schmidt,E.:线性与非线性积分理论。I.Teil:恩特维克朗。《数学年鉴》63、433-476(1907年)·doi:10.1007/BF01449770
[59] Schneider,R.,Uschmajew,A.:通过Łojasiewicz不等式在各种低秩矩阵上投影线性搜索方法的收敛结果。SIAM J.Optim公司。25(1), 622-646 (2015) ·Zbl 1355.65079号 ·doi:10.1137/140957822
[60] Schwab,C.,Gittelson,C.J.:高维参数和随机PDE的稀疏张量离散化。Acta Numer公司。20, 291-467 (2011) ·Zbl 1269.65010号
[61] Szalay,S.、Pfeffer,M.、Murg,V.、Barcza,G.、Verstraete,F.、Schneider,R.、Legeza,ࢗ:从头算量子化学中的张量积方法和纠缠优化。国际量子化学杂志。115(19),1342-1391(2015)doi:10.1002/qua.24898
[62] Ullmann,E.:随机galerkin有限元离散化的kronecker乘积预条件。SIAM J.科学。计算。32(2), 923-946 (2010) ·Zbl 1210.35306号
[63] Uschmajew,A.,Vandreycken,B.:使用分层张量的算法的几何结构。线性代数应用439(1),133-166(2013)·Zbl 1281.65062号 ·doi:10.1016/j.laa.2013.03.016
[64] Verfürth,R.:后验误差估计和自适应网格细化技术综述。Teubner Verlag和J.Wiley,斯图加特(1996)·Zbl 0853.65108号
[65] Xiu,D.,Hesthaven,J.S.:随机输入微分方程的高阶配置方法。SIAM J.科学。计算。27(3), 1118-1139 (2005). (电子版)·Zbl 1091.65006号 ·数字对象标识代码:10.1137/040615201
[66] Xiu,D.,Karniadakis,G.E.:通过广义多项式混沌建模稳态扩散问题中的不确定性。计算。方法应用。机械。工程191(43),4927-4948(2002)·Zbl 1016.65001号 ·doi:10.1016/S0045-7825(02)00421-8
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