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

Modeling and inversion of seismic data using multiple scattering, renormalization and homotopy methods

Seismic scattering theory plays an important role in seismic forward modeling and is the theoretical foundation for various seismic imaging methods. Full waveform inversion is a powerful technique for obtaining a high-resolution model of the subsurface. One objective of this thesis is to develop convergent scattering series solutions of the Lippmann-Schwinger equation in strongly scattering media using renormalization and homotopy methods. Other objectives of this thesis are to develop efficient full waveform inversion methods of time-lapse seismic data and, to investigate uncertainty quantification in full waveform inversion for anisotropic elastic media based on integral equation approaches and the iterated extended Kalman filter. The conventional Born scattering series is obtained by expanding the Lippmann-Schwinger equation in terms of an iterative solution based on perturbation theory. Such an expansion assumes weak scattering and may have the problems of convergence in strongly scattering media. This thesis presents two scattering series, referred to as convergent Born series (CBS) and homotopy analysis method (HAM) scattering series for frequency-domain seismic wave modeling. For the convergent Born series, a physical interpretation from the renormalization prospective is given. The homotopy scattering series is derived by using homotopy analysis method, which is based on a convergence control parameter $h$ and a convergence control operator $H$ that one can use to ensure convergence for strongly scattering media. The homotopy scattering scattering series solutions of the Lippmann-Schwinger equation, which is convergent in strongly scattering media. The homotopy scattering series is a kind of unified scattering series theory that includes the conventional and convergent Born series as special cases. The Fast Fourier Transform (FFT) is employed for efficient implementation of matrix-vector multiplication for the convergent Born series and the homotopy scattering series. This thesis presents homotopy methods for ray based seismic modeling in strongly anisotropic media. To overcome several limitations of small perturbations and weak anisotropy in obtaining the traveltime approximations in anisotropic media by expanding the anisotropic eikonal equation in terms of the anisotropic parameters and the elliptically anisotropic eikonal equation based on perturbation theory, this study applies the homotopy analysis method to the eikonal equation. Then this thesis presents a retrieved zero-order deformation equation that creates a map from the anisotropic eikonal equation to a linearized partial differential equation system. The new traveltime approximations are derived by using the linear and nonlinear operators in the retrieved zero-order deformation equation. Flexibility on variable anisotropy parameters is naturally incorporated into the linear differential equations, allowing a medium of arbitrarily anisotropy. This thesis investigates efficient target-oriented inversion strategies for improving full waveform inversion of time-lapse seismic data based on extending the distorted Born iterative T-matrix inverse scattering to a local inversion of a small region of interest (e. g. reservoir under production). The target-oriented approach is more efficient for inverting the monitor data. The target-oriented inversion strategy requires properly specifying the wavefield extrapolation operators in the integral equation formulation. By employing the T-matrix and the Gaussian beam based Green’s function, the wavefield extrapolation for the time-lapse inversion is performed in the baseline model from the survey surface to the target region. I demonstrate the method by presenting numerical examples illustrating the sequential and double difference strategies. To quantify the uncertainty and multiparameter trade-off in the full waveform inversion for anisotropic elastic media, this study applies the iterated extended Kalman filter to anisotropic elastic full waveform inversion based on the integral equation method. The sensitivity matrix is an explicit representation with Green’s functions based on the nonlinear inverse scattering theory. Taking the similarity of sequential strategy between the multi-scale frequency domain full waveform inversion and data assimilation with an iterated extended Kalman filter, this study applies the explicit representation of sensitivity matrix to the the framework of Bayesian inference and then estimate the uncertainties in the full waveform inversion. This thesis gives results of numerical tests with examples for anisotropic elastic media. They show that the proposed Bayesian inversion method can provide reasonable reconstruction results for the elastic coefficients of the stiffness tensor and the framework is suitable for accessing the uncertainties and analysis of parameter trade-offs

Large-scale applications and scalability for problems in the mechanics of soft biological tissues in arterial wall structures

Der Zugriff auf den Volltext ist gesperrt, neue Version unter DuEPublico-ID 37999 An MPI-parallel Newton-Krylov-FETI-DP solver based on FEAP is presented together with applications to nonlinear problems in the quasi-static biomechanics of soft biological tissues. The formulation is based on highly nonlinear hyperelastic anisotropic and poly-convex models. High-resolution computations of the wall stresses in patient-specific arterial wall structures subjected to an interior normal pressure in the physiological regime of the blood pressure (up to 500 [mmHg]) are reported together with results on strong scalability. The weak scalability of Newton-Krylov-FETI-DP is investigated for up to 140 million degrees of freedom using 4096 processor cores on a Cray XT6m supercomputer in a series of simple tension tests. An implementation of a new FEAP-interface called libfw is presented which allows for the flexible unified integration of FEAP into other software packages, e.g., into LifeV. The modifications done to FEAP are dissected and discussed in detail as a case study in order to illustrate possible approaches for the integration of different code components or applications in similar scenarios