是否有一种通用方法可以针对不同问题构建投影方法?

计算科学 线性代数 有限元 离散化
2021-11-28 10:28:29

我的问题可能过于笼统,无法用几句话来回答。在这种情况下,您能否建议一个好的阅读材料。投影方法用于减少问题的解决方案空间的大小。并且至少有两个非常有趣的应用程序(从我的角度来看)。第一个是求解连续介质力学问题(有限元,Ritz 方法),第二个是求解线性方程组(Krylov 子空间方法)。

问题如下:是否有理论或分析的某些部分研究投影方法的所有应用?如果是这样,是否可以从这个起点构建其他方法,例如有限体积方法?

我在大学学习过有限元分析,但目前,所有离散的近似值都像是一组孤立的“工具”,我可以在某些特定情况下使用它们。谢谢。

2个回答

Galerkin 方法(从给定的子空间中寻找近似值U使得残差与另一个给定的子空间正交V) 确实非常普遍(并且不限于有限维空间)。在偏微分方程的数值解的上下文中,基本上有两个条件:UV必须满足:

  1. 离散问题必须有唯一解;这通常需要验证所谓的inf-sup-conditions(在标准的 Ritz-Galerkin 方法中,这基本上是Lax-Milgram 定理;对于线性系统Ax=b, 这相当于dimU=dimV并且没有向量VA-正交于U.)

  2. 离散化误差必须随着维数变小UV增加。这需要子空间的某些近似属性通常,人们采用分段多项式的空间(如标准有限元方法),但其他选择也是可能的(例如,谱方法)。(类似地,线性系统的投影方法通常基于 Krylov 空间,因为它们具有很好的近似属性。)

事实上,(某些)有限体积方法可以描述为不连续的 Galerkin 方法(其中U和/或V由分段常数函数组成。

大多数关于有限元方法的现代数学教科书都遵循这种方法。两个很好的例子是

(我特别喜欢后者,因为它采用了非常通用的 Galerkin 方法,包括混合和混合有限元以及不连续的 Galerkin 方法。)

对于线性系统,Saad 的书中对投影方法进行了很好的一般性讨论

对于微分方程的解,根据 Crandall (1956) 提出并在 Finnlayson 和 Scriven (1966) 的第一次评论中描述的加权残差方法 (MWR) 进行思考可能是有用的

“加权残差法统一了目前正在使用的许多求解微分方程的近似方法。”

“加权残差法是一种工程师工具,用于寻找分布式系统变化方程的近似解。”

简而言之,MWR 方法系统地统一了几种常见的离散化方法。

这是你想的吗?

对于线性方程组的求解,我将 Krylov 子空间方法视为构建投影方法的一般方法。这些方法中最特定于问题的部分是选择用于加速收敛的预处理器——这通常是特定于问题的如何做出选择。