Spectral two-level preconditioners for sequences of linear systems

De nombreuses simulations numériques nécessitent la résolution d'une série de systèmes linéaires impliquant une même matrice mais des second-membres différents. Des méthodes efficaces pour ce type de problèmes cherchent à tirer bénéfice des résolutions précédentes pour accélérer les résolutions restantes. Deux grandes classes se distinguent dans la façon de procéder: la première vise à réutiliser une partie du sous-espace de Krylov, la deuxième à construire une mise à jour du préconditionneur à partir de vecteurs approximant un espace invariant. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à cette dernière approche en cherchant à améliorer le préconditionneur d'origine. Dans une première partie, une seule mise à jour du préconditionneur est considérée pour tous les systèmes. Cette mise à jour consiste en une correction spectrale de rang faible qui permet de translater de un la position des plus petites valeurs propres en module de la matrice du système préconditionné de départ. Des expérimentations numériques sont réalisées en utilisant la méthode GMRES couplée à un préconditionneur de type inverse approchée. L'information spectrale est obtenue par un solveur de valeurs propres lors d'une phase préliminaire au calcul. Dans une deuxième partie, on autorise une possible mise à jour entre chaque système. Une correction spectrale incrémentale est proposée. Des expérimentations numériques sont réalisées en utilisant la méthode GMRES-DR, d'une part parce qu'elle est efficace en tant que solveur linéaire, et d'autre part parce qu'elle permet une bonne approximation des petites valeurs propres au cours de la résolution linéaire. Des stratégies sont développées afin de sélectionner l'information spectrale la plus pertinente. Ces approches ont été validées sur des problèmes de grande taille issus de simulations industrielles en électromagnétisme. Dans ce but, elles ont été implantées dans un code parallèle développé par EADS-CCR. ABSTRACT : Many numerical simulations in scientific and engineering applications require the solution of a set of large linear systems involving the same coefficient matrix but different right-hand sides. Efficient methods for tackling this problem attempt to benefit from the previously solved right-hand sides for the solution of the next ones. This goal can be achieved either by recycling Krylov subspaces or by building preconditioner updates based on near invariant subspace information. In this thesis, we focus our attention on this last approach that attempts to improve a selected preconditioner. In the first part, we consider only one update of the preconditioner for all the systems. This update consists of a spectral low-rank correction that shifts by one the smallest eigenvalues in magnitude of the matrix of the original preconditioned system. We perform experiments in the context of the GMRES method preconditioned by an approximate inverse preconditioner. The spectral information is computed by an eigensolver in a preprocessing phase. In the second part, we consider an update of the preconditioner between each system. An incremental spectral correction of the preconditioner is proposed. We perform experiments using the GMRES-DR method, thanks to its efficiency as a linear solver and its ability to recover reliable approximations of the desired eigenpairs at run time. Suitable strategies are investigated for selecting reliable eigenpairs. The efficiency of the proposed approaches is in particular assessed for the solution of large and challenging problems in electromagnetic applications. For this purpose, they have been implemented in a parallel industrial code developed by EADS-CCR

GMRES convergence bounds for eigenvalue problems

The convergence of GMRES for solving linear systems can be influenced heavily by the structure of the right hand side. Within the solution of eigenvalue problems via inverse iteration or subspace iteration, the right hand side is generally related to an approximate invariant subspace of the linear system. We give detailed and new bounds on (block) GMRES that take the special behavior of the right hand side into account and explain the initial sharp decrease of the GMRES residual. The bounds give rise to adapted preconditioners applied to the eigenvalue problems, e.g. tuned and polynomial preconditioners. The numerical results show that the new (block) GMRES bounds are much sharper than conventional bounds and that preconditioned subspace iteration with either a tuned or polynomial preconditioner should be used in practice.Comment: second revised versio