A stable, polynomial-time algorithm for the eigenpair problem

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.We describe algorithms for computing eigenpairs (eigenvalue-eigenvector pairs) of a complex n×n matrix A. These algorithms are numerically stable, strongly accurate, and theoretically efficient (i.e., polynomial-time). We do not believe they outperform in practice the algorithms currently used for this computational problem. The merit of our paper is to give a positive answer to a long-standing open problem in numerical linear algebra.DFG, BU 1371/2-2, Geglättete Analyse von Konditionszahle

An Sn Application of Homotopy Continuation in Neutral Particle Transport

The objective of this dissertation is to investigate the usefulness of homotopy continuation applied in the context of neutral particle transport where traditional methods of acceleration degrade. This occurs in higher dimensional heterogeneous problems [51]. We focus on utilizing homotopy continuation as a means of providing a better initial guess for difficult problems. We investigate various homotopy formulations for two primary diffcult problems: a thick-diffusive fixed internal source, and a k-eigenvalue problem with high dominance ratio. We also investigate the usefulness of homotopy continuation for computationally intensive problems with 30-energy groups. We find that homotopy continuation exhibits usefulness in specific problem formulations. In the thick-diffusive problem it shows benefit when there is a strong internal source in thin materials. In the k-eigenvalue problem, homotopy continuation provides an improvement in convergence speed for fixed point iteration methods in high dominance ratio problems. We also show that one of our imbeddings successfully stabilizes the nonlinear formulation of the k-eigenvalue problem with a high dominance ratio

A Domain Decomposition Preconditioner for Hermite Collocation Problems

We propose a preconditioning method for linear systems of equations arising from piecewise Hermite bicubic collocation applied to two dimensional elliptic PDEs with mixed boundary conditions. We construct an efficient, parallel preconditioner for the GMRES method. The main contribution of the paper is a novel interface preconditioner derived in the framework of substructuring and employing a local Hermite collocation discretization for the interface subproblems based on a hybrid fine-coarse mesh. Interface equations based on this mesh depend only weakly on unknowns associated with subdomains. The effectiveness of the proposed method is highlighted by numerical experiments that cover a variety of problems

Parallel harmonic balance method for analysis of nonlinear mechanical systems

Mechanical vibration analysis and modelling are essential tools used in the design of various mechanical components and structures. In the case of turbine engine design specifically, the ability to accurately predict vibration of various parts is crucial to ensure their safe operation while maintaining efficiency. As the designs become increasingly complex and margins for errors get smaller, high fidelity numerical vibration models are necessary for their analysis. Research of parallel algorithms has progressed significantly in the last decades, thanks to the exponential growth of the world's available computational resources. This work explores the possibilities for parallel implementations for solving large scale nonlinear vibration problems. A C++ code using MPI was developed to validate these implementations in practice. The harmonic balance method is used in combination with finite elements discretisation and applied to an elastic body with the Green-Lagrange nonlinear model for large deformations. A parameter continuation scheme using a predictor-corrector approach is included to compute frequency response functions. A Newton-Raphson solver is used to solve the bordered nonlinear system of equations in the frequency domain. Three different parallel algorithms for solving the linearised problem in each Newton iteration are analysed - a sparse direct solver (using MUMPS library), GMRES (using PETSc library) and an inhouse implementation of FETI. The performance of the solvers is analysed using beam testcases and a fan blade geometry. Scalability of MUMPS and the FETI solver is assessed. Full nonlinear frequency response functions with turning points are also computed. Use of artificial coarse space and preconditioning in FETI is discussed as it greatly impacts convergence properties of the solver. The presented parallel linear solvers show promising scalability results and an ability to solve nonlinear systems of several million degrees of freedom.Open Acces

Computer Science for Continuous Data:Survey, Vision, Theory, and Practice of a Computer Analysis System

Building on George Boole's work, Logic provides a rigorous foundation for the powerful tools in Computer Science that underlie nowadays ubiquitous processing of discrete data, such as strings or graphs. Concerning continuous data, already Alan Turing had applied "his" machines to formalize and study the processing of real numbers: an aspect of his oeuvre that we transform from theory to practice.The present essay surveys the state of the art and envisions the future of Computer Science for continuous data: natively, beyond brute-force discretization, based on and guided by and extending classical discrete Computer Science, as bridge between Pure and Applied Mathematics

Research in structural and solid mechanics, 1982

Advances in structural and solid mechanics, including solution procedures and the physical investigation of structural responses are discussed

A direct method for the numerical solution of optimization problems with time-periodic PDE constraints

In der vorliegenden Dissertation entwickeln wir auf der Basis der Direkten Mehrzielmethode eine neue numerische Methode für Optimalsteuerungsprobleme (OCPs) mit zeitperiodischen partiellen Differentialgleichungen (PDEs). Die vorgeschlagene Methode zeichnet sich durch asymptotisch optimale Skalierung des numerischen Aufwandes in der Zahl der örtlichen Diskretisierungspunkte aus. Sie besteht aus einem Linearen Iterativen Splitting Ansatz (LISA) innerhalb einer Newton-Typ Iteration zusammen mit einer Globalisierungsstrategie, die auf natürlichen Niveaufunktionen basiert. Wir untersuchen die LISA-Newton Methode im Rahmen von Bocks kappa-Theorie und entwickeln zuverlässige a-posteriori kappa-Schätzer. Im Folgenden erweitern wir die LISA-Newton Methode auf den Fall von inexakter Sequentieller Quadratischer Programmierung (SQP) für ungleichungsbeschränke Probleme und untersuchen das lokale Konvergenzverhalten. Zusätzlich entwickeln wir klassische und Zweigitter Newton-Picard Vorkonditionierer für LISA und beweisen gitterunabhängige Konvergenz der klassischen Variante auf einem Modellproblem. Anhand numerischer Ergebnisse können wir belegen, dass im Vergleich zur klassichen Variante die Zweigittervariante sogar noch effizienter ist für typische Anwendungsprobleme. Des Weiteren entwickeln wir eine Zweigitterapproximation der Lagrange-Hessematrix, welche gut in den Rahmen des Zweigitter Newton-Picard Ansatzes passt und die im Vergleich zur exakten Hessematrix zu einer Laufzeitreduktion von 68% auf einem nichtlinearen Benchmarkproblem führt. Wir zeigen weiterhin, dass die Qualität des Feingitters die Genauigkeit der Lösung bestimmt, während die Qualität des Grobgitters die asymptotische lineare Konvergenzrate, d.h., das Bocksche kappa, festlegt. Zuverlässige kappa-Schätzer ermöglichen die automatische Steuerung der Grobgitterverfeinerung für schnelle Konvergenz. Für die Lösung der auftretenden, großen Probleme der Quadratischen Programmierung (QPs) wählen wir einen strukturausnutzenden zweistufigen Ansatz. In der ersten Stufe nutzen wir die durch den Mehrzielansatz und die Newton-Picard Vorkonditionierer bedingten Strukturen aus, um die großen QPs auf äquivalente QPs zu reduzieren, deren Größe von der Zahl der örtlichen Diskretisierungspunkte unabhängig ist. Für die zweite Stufe entwickeln wir Erweiterungen für eine Parametrische Aktive Mengen Methode (PASM), die zu einem zuverlässigen und effizienten Löser für die resultierenden, möglicherweise nichtkonvexen QPs führen. Weiterhin konstruieren wir drei anschauliche, contra-intuitive Probleme, die aufzeigen, dass die Konvergenz einer one-shot one-step Optimierungsmethode weder notwendig noch hinreichend für die Konvergenz der entsprechenden Methode für das Vorwärtsproblem ist. Unsere Analyse von drei Regularisierungsansätzen zeigt, dass de-facto Verlust von Konvergenz selbst mit diesen Ansätzen nicht verhindert werden kann. Des Weiteren haben wir die vorgestellten Methoden in einem Computercode mit Namen MUSCOP implementiert, der automatische Ableitungserzeugung erster und zweiter Ordnung von Modellfunktionen und Lösungen der dynamischen Systeme, Parallelisierung auf der Mehrzielstruktur und ein Hybrid Language Programming Paradigma zur Verfügung stellt, um die benötigte Zeit für das Aufstellen und Lösen neuer Anwendungsprobleme zu minimieren. Wir demonstrieren die Anwendbarkeit, Zuverlässigkeit und Effektivität von MUSCOP und damit der vorgeschlagenen numerischen Methoden anhand einer Reihe von PDE OCPs von steigender Schwierigkeit, angefangen bei linearen akademischen Problemen über hochgradig nichtlineare akademische Probleme der mathematischen Biologie bis hin zu einem hochgradig nichtlinearen Anwendungsproblem der chemischen Verfahrenstechnik im Bereich der präparativen Chromatographie auf Basis realer Daten: Dem Simulated Moving Bed (SMB) Prozess

International Conference on Continuous Optimization (ICCOPT) 2019 Conference Book

The Sixth International Conference on Continuous Optimization took place on the campus of the Technical University of Berlin, August 3-8, 2019. The ICCOPT is a flagship conference of the Mathematical Optimization Society (MOS), organized every three years. ICCOPT 2019 was hosted by the Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Berlin. It included a Summer School and a Conference with a series of plenary and semi-plenary talks, organized and contributed sessions, and poster sessions. This book comprises the full conference program. It contains, in particular, the scientific program in survey style as well as with all details, and information on the social program, the venue, special meetings, and more

MRRR-based Eigensolvers for Multi-core Processors and Supercomputers

The real symmetric tridiagonal eigenproblem is of outstanding importance in numerical computations; it arises frequently as part of eigensolvers for standard and generalized dense Hermitian eigenproblems that are based on a reduction to tridiagonal form. For its solution, the algorithm of Multiple Relatively Robust Representations (MRRR or MR3 in short) - introduced in the late 1990s - is among the fastest methods. To compute k eigenpairs of a real n-by-n tridiagonal T, MRRR only requires O(kn) arithmetic operations; in contrast, all the other practical methods require O(k^2 n) or O(n^3) operations in the worst case. This thesis centers around the performance and accuracy of MRRR.Comment: PhD thesi