Krylov methods for nonlinear eigenvalue problems and matrix equations

Tid: Ti 2020-02-11 kl 10.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26, Sing-Sing, floor 2, KTH Campus, Stockholm (English)

Ämnesområde: Tillämpad matematik och beräkningsmatematik, Numerisk analys

Respondent: Giampaolo Mele , Numerisk analys, NA, SeRC - Swedish e-Science Research Centre

Opponent: Professor Raf Vandebril, KU Katholieke Universiteit Leuven, Begien

Handledare: Associate Professor Elias Jarlebring, Numerisk analys, NA, SeRC - Swedish e-Science Research Centre

Abstract

Icke-linjära egenvärdesproblem, förkortat NEP från engelskans nonlinear eigenvalue problem, uppstår inom många områden inom vetenskap och teknik. Sådana problem definieras ofta av stora matriser med specifika strukturer, såsom gleshet, låg rang osv. Liksom det i linjära egenvärdesproblemet är beroendet på egenvektorn linjärt, medan beroendet på egenvärdet är icke-linjärt. Denna egenskap möjliggör en utvidgning av flera metoder, som ursprungligen härleds för det linjära egenvärdesproblemet, till det icke-linjära fallet. Bland dessa metoder har Krylov-metoder framgångsrikt vidareutvecklats på olika sätt. Dessa metoder är utformade för att dra fördel av de ovan nämnda matrisstrukturerna. I den här avhandlingen presenterar vi två Krylov-baserade metoder för att lösa NEP: tensor Infinite Arnoldi (TIAR), med en variant som möjliggör omstart, och Infinite Lanczos (ILAN). Vi illustrerar flexibiliteten i TIAR genom att anpassa den till att lösa en NEP som kommer från studien av vågor som sprider sig i periodiska medier.Även om Krylov-metoder på sätt och vis är globalt konvergenta, kan konvergensen till de önskade egenvärdena i vissa fall vara långsam. När en noggrann lösning erfordras kan de erhållna approximationerna förfinas med metoder som har högre konvergensordning, t.ex. Newton-liknande metoder, som också analyseras i denna avhandling. I detta sammanhang kan ramverket som används för att analysera Newton-metoder kombineras med Keldysh sats för att bättre karakterisera konvergensfaktorn. Vi visar också att flera väletablerade metoder, såsom residual inversiteration och Ruhes metod för successiva linjära problem, tillhör klassen Newton-liknande metoder. I denna anda erhåller vi en ny quasi-Newton metod som motsvarar residual inversiteration, när det gäller konvergensegenskaper, men inte kräver lösning av en olinjär ekvation per iteration.De nämnda metoderna är implementerade i NEP-PACK, som är ett registrerat Julia-paket för NEP som vi har utvecklat. Detta paket består av många nyutvecklade samt väletablerade metoder för att lösa NEP, en stor problemsamling samt typer och strukturer för att effektivt representera och göra beräkningar med NEP.Många problem inom styrteori, samt många diskretiserade partiella differentialekvationer, kan lösas effektivt om de formuleras som matrisekvationer. Dessutom uppstår matrisekvationer som delproblem i ett mycket stort antal områden. I vårt ramverk, är lösning av matrisekvationer en del av processen för att lösa en NEP i vissa tillämpningar. I denna avhandling härleder vi en förkonditioneringsteknik som är tillämplig på vissa linjära system vilka kan formuleras som en generaliserad Sylvesterekvation. Mer exakt antar vi att matrisekvationen kan skrivas som summan av en Sylvesteroperator och en annan term som kan approximeras med en operator med låg rang. Sådana linjära system uppstår, t.ex., vid lösning av vissa NEP som kommer från vågutbredningsproblem. Vi presenterar också en algoritm, som består av att tillämpa en Krylov-metod direkt på matrisekvationen snarare än på det vektoriserade linjära systemet, vilken utnyttjar vissa strukturer i matriskoefficienterna.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-266368