Hierarchical Schur complement preconditioner for the stochastic Galerkin finite element methods

Use of the stochastic Galerkin finite element methods leads to large systems of linear equations obtained by the discretization of tensor product solution spaces along their spatial and stochastic dimensions. These systems are typically solved iteratively by a Krylov subspace method. We propose a preconditioner which takes an advantage of the recursive hierarchy in the structure of the global matrices. In particular, the matrices posses a recursive hierarchical two-by-two structure, with one of the submatrices block diagonal. Each one of the diagonal blocks in this submatrix is closely related to the deterministic mean-value problem, and the action of its inverse is in the implementation approximated by inner loops of Krylov iterations. Thus our hierarchical Schur complement preconditioner combines, on each level in the approximation of the hierarchical structure of the global matrix, the idea of Schur complement with loops for a number of mutually independent inner Krylov iterations, and several matrix-vector multiplications for the off-diagonal blocks. Neither the global matrix, nor the matrix of the preconditioner need to be formed explicitly. The ingredients include only the number of stiffness matrices from the truncated Karhunen-Lo\`{e}ve expansion and a good preconditioned for the mean-value deterministic problem. We provide a condition number bound for a model elliptic problem and the performance of the method is illustrated by numerical experiments.Comment: 15 pages, 2 figures, 9 tables, (updated numerical experiments

Low-rank updates and a divide-and-conquer method for linear matrix equations

Linear matrix equations, such as the Sylvester and Lyapunov equations, play an important role in various applications, including the stability analysis and dimensionality reduction of linear dynamical control systems and the solution of partial differential equations. In this work, we present and analyze a new algorithm, based on tensorized Krylov subspaces, for quickly updating the solution of such a matrix equation when its coefficients undergo low-rank changes. We demonstrate how our algorithm can be utilized to accelerate the Newton method for solving continuous-time algebraic Riccati equations. Our algorithm also forms the basis of a new divide-and-conquer approach for linear matrix equations with coefficients that feature hierarchical low-rank structure, such as HODLR, HSS, and banded matrices. Numerical experiments demonstrate the advantages of divide-and-conquer over existing approaches, in terms of computational time and memory consumption

Matrix-free weighted quadrature for a computationally efficient isogeometric kk-method

The $k$-method is the isogeometric method based on splines (or NURBS, etc.) with maximum regularity. When implemented following the paradigms of classical finite element methods, the computational resources required by the $k-$method are prohibitive even for moderate degree. In order to address this issue, we propose a matrix-free strategy combined with weighted quadrature, which is an ad-hoc strategy to compute the integrals of the Galerkin system. Matrix-free weighted quadrature (MF-WQ) speeds up matrix operations, and, perhaps even more important, greatly reduces memory consumption. Our strategy also requires an efficient preconditioner for the linear system iterative solver. In this work we deal with an elliptic model problem, and adopt a preconditioner based on the Fast Diagonalization method, an old idea to solve Sylvester-like equations. Our numerical tests show that the isogeometric solver based on MF-WQ is faster than standard approaches (where the main cost is the matrix formation by standard Gaussian quadrature) even for low degree. But the main achievement is that, with MF-WQ, the $k$-method gets orders of magnitude faster by increasing the degree, given a target accuracy. Therefore, we are able to show the superiority, in terms of computational efficiency, of the high-degree $k$-method with respect to low-degree isogeometric discretizations. What we present here is applicable to more complex and realistic differential problems, but its effectiveness will depend on the preconditioner stage, which is as always problem-dependent. This situation is typical of modern high-order methods: the overall performance is mainly related to the quality of the preconditioner

Exponential integrators: tensor structured problems and applications

The solution of stiff systems of Ordinary Differential Equations (ODEs), that typically arise after spatial discretization of many important evolutionary Partial Differential Equations (PDEs), constitutes a topic of wide interest in numerical analysis. A prominent way to numerically integrate such systems involves using exponential integrators. In general, these kinds of schemes do not require the solution of (non)linear systems but rather the action of the matrix exponential and of some specific exponential-like functions (known in the literature as phi-functions). In this PhD thesis we aim at presenting efficient tensor-based tools to approximate such actions, both from a theoretical and from a practical point of view, when the problem has an underlying Kronecker sum structure. Moreover, we investigate the application of exponential integrators to compute numerical solutions of important equations in various fields, such as plasma physics, mean-field optimal control and computational chemistry. In any case, we provide several numerical examples and we perform extensive simulations, eventually exploiting modern hardware architectures such as multi-core Central Processing Units (CPUs) and Graphic Processing Units (GPUs). The results globally show the effectiveness and the superiority of the different approaches proposed

Computational Inverse Problems

Inverse problem typically deal with the identification of unknown quantities from indirect measurements and appear in many areas in technology, medicine, biology, finance, and econometrics. The computational solution of such problems is a very active, interdisciplinary field with close connections to optimization, control theory, differential equations, asymptotic analysis, statistics, and probability. The focus of this workshop was on hybrid methods, model reduction, regularization in Banach spaces, and statistical approaches

Preconditioning for linear systems arising from discretization of the Navier-Stokes equations using isogeometric analysis

Tato práce se zabývá iteračním řešením sedlobodových soustav lineárních algebraických rovnic získaných diskretizací Navierových--Stokesových rovnic pro nestlačitelné proudění pomocí isogemetrické analýzy (IgA). Konkrétně se zaměřuje na předpodmiňovače pro krylovovské metody. Jedním z cílů práce je prozkoumat efektivitu moderních blokových předpodmiňovačů pro různé isogeometrické diskretizace, tj. pro B-spline bázové funkce různého stupně a spojitosti, a poskytnout přehled o jejich chování v závislosti na různých parametrech úlohy. Hlavním cílem je na základě této studie navrhnout vhodný přístup k řešení těchto soustav s případnými úpravami, které by zlepšily vlastnosti dané metody pro soustavy získané isogeometrickou analýzou. Práce má dvě části. V první části jsou představeny úlohy pro nestlačitelné vazké proudění a metoda diskretizace pomocí isogeometrické analýzy. Dále uvádíme podrobný přehled metod řešení sedlobodových soustav lineárních rovnic, ve kterém se zaměřujeme především na blokové předpodmiňovače. Druhá část je věnována numerickým experimentům. Provádíme srovnání vybraných předpodmiňovačů pro několik stacionárních a nestacionarních úloh ve dvou a třech dimenzích. Zvláštní pozornost je věnována aproximaci matice hmotnosti, jejíž volba se ukazuje být v kontextu IgA důležitá, a okrajovým podmínkám pro PCD předpodmiňovač. Navrhujeme vhodnou kombinaci varianty PCD, okrajových podmínek a jejich škálování, abychom získali efektivní předpodmiňovač, který je robustní vzhledem k stupni a spojitosti diskretizace. V mnoha případech se tato volba ukazuje jako nejefektivnější z uvažovaných metod.ObhájenoThis doctoral thesis deals with iterative solution of the saddle-point linear systems obtained from discretization of the incompressible Navier--Stokes equations using the isogeometric analysis (IgA) approach. Specifically, it is focused on preconditioners for Krylov subspace methods. One of the goals of the thesis is to investigate the performance of the state-of-the-art block preconditioners for various IgA discretizations, i.e., for B-spline discretization bases of varying polynomial degree and interelement continuity, and provide an overview of their behavior depending on different problem parameters. The main goal is, based on the this study, to propose suitable solution approach to the considered linear systems with possible modifications that would improve the performance for IgA discretizations in particular. The thesis is basically divided into two parts. In the first part we introduce the mathematical model of incompressible viscous flow and the isogeometric analysis discretization method. Then we provide a detailed overview of the solution techniques for saddle-point linear systems, especially aimed at the family of block preconditioners. The second part is devoted to numerical experiments. We present a comparison of the selected preconditioners for several steady-state and time-dependent test problems in two and three dimensions. A particular attention is devoted to mass matrix approximation within the preconditioners, which appears to be important in the context of IgA, and to the boundary conditions for the pressure convection--diffusion (PCD) preconditioner. A suitable combination of PCD variant, boundary conditions and their appropriate scaling is proposed, leading to an effective preconditioner which is robust with respect to the discretization degree and continuity. In many cases, this choice of preconditioner proves to be the most efficient among all considered methods

Numerical solution of large-scale linear matrix equations

We are interested in the numerical solution of large-scale linear matrix equations. In particular, due to their occurrence in many applications, we study the so-called Sylvester and Lyapunov equations. A characteristic aspect of the large-scale setting is that although data are sparse, the solution is in general dense so that storing it may be unfeasible. Therefore, it is necessary that the solution allows for a memory-saving approximation that can be cheaply stored. An extensive literature treats the case of the aforementioned equations with low-rank right-hand side. This assumption, together with certain hypotheses on the spectral distribution of the matrix coefficients, is a sufficient condition for proving a fast decay in the singular values of the solution. This decay motivates the search for a low-rank approximation so that only low-rank matrices are actually computed and stored remarkably reducing the storage demand. This is the task of the so-called low-rank methods and a large amount of work in this direction has been carried out in the last years. Projection methods have been shown to be among the most effective low-rank methods and in the first part of this thesis we propose some computational enhanchements of the classical algorithms. The case of equations with not necessarily low rank right-hand side has not been deeply analyzed so far and efficient methods are still lacking in the literature. In this thesis we aim to significantly contribute to this open problem by introducing solution methods for this kind of equations. In particular, we address the case when the coefficient matrices and the right-hand side are banded and we further generalize this structure considering quasiseparable data. In the last part of the thesis we study large-scale generalized Sylvester equations and, under some assumptions on the coefficient matrices, novel approximation spaces for their solution by projection are proposed

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung