Métodos Multigrid. Universidad Nacional Autónoma de México. Laboratorio de Cómputo Científico. Jorge Zavaleta Sánchez. presenta

Documentos relacionados
Métodos iterativos para resolver sistemas de ecuaciones lineales

Métodos iterativos de solución de SEL

Métodos iterativos de solución de SEL

SISTEMA DE ECUACIONES LINEALES Y NO LINEALES

METODOS ITERATIVOS. Hermes Pantoja Carhuavilca. Facultad de Ingeniería Mecanica Universidad Nacional de Ingenieria

Cálculo Numérico. Curso Ejercicios: Preliminares I

Parte 4. Métodos iterativos para la resolución de sistemas de ecuaciones lineales

Introducción a la resolución numérica de problemas para ecuaciones en derivadas parciales (I)

Métodos Numéricos: Ejercicios resueltos

Resolución de Sistema de Ecuaciones Lineales

Tema 6: Resolución aproximada de sistemas de ecuaciones lineales

Sistema de ecuaciones lineales

Sistema de Ecuaciones Lineales - Métodos Iterativos -

Clase. 1. Resolución de sistemas de ecuaciones lineales: preliminares

Métodos numéricos para sistemas de ecuaciones. (Prácticas)

Método de diferencias finitas para ecuaciones diferenciales parciales elípticas. (Parte II)

Métodos iterativos para resolver sistemas de ecuaciones lineales

E.T.S. Minas: Métodos Matemáticos Soluciones Tema 4 Métodos iterativos para sistemas de ecuaciones

E.T.S. Minas: Métodos Matemáticos Ejercicios Tema 4 Métodos iterativos para sistemas de ecuaciones

Ecuaciones diferenciales parciales

Factorización QR Método iterativo de Jacobi

Clase 8 Matrices Álgebra Lineal

Resolución de sistemas de ecuaciones lineales

Clase No. 13: Factorización QR MAT 251. Joaquín Peña (CIMAT) Métodos Numéricos (MAT 251) / 16

MÉTODO DE DIFERENCIAS FINITAS (FDM)

Métodos Numéricos Grado en Informática Tema 6: Análisis Numérico Matricial II

1.II.3. Sistemas de ecuaciones lineales: métodos iterativos.

I. Métodos directos para resolución de SEL. Se dice que una matriz A admite una factorización LU indirecta A = LU

Resolverlo mediante el método de Gauss con aritmética exacta y sin pivoteo.

2. Sistemas de ecuaciones lineales

Resolución numérica de sistemas de ecuaciones. Introducción

SISTEMAS DE ECUACIONES

Algunos Tipos de matrices. Matrices. Algunos Tipos de matrices. Algunos Tipos de matrices

Métodos Matemáticos Grado en Geomática y Topografía. J.L. Bravo. Curso

Profesor Francisco R. Villatoro 13 de Diciembre de 1999 SOLUCIONES. 1. Una matriz A de n n es diagonalmente dominante (estrictamente) por filas si

Un esquema simplificado de primer orden para la solución de ecuaciones de Poisson en regiones irregulares del plano.

Sobre la estabilidad de esquemas de diferencias finitas para la ecuación de advección en regiones planas irregulares.

Métodos numéricos para sistemas de ecuaciones. (Prácticas) Damián Ginestar Peiró UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

Introducción a los métodos de solución numérica de E.D.P.

Tarea 1 INSTRUCCIONES TAREA 1

Curso Hoja 1. Análisis de errores

OCW-V.Muto Sistemas lineales: Preliminares Cap. XIII CAPITULO XIII. METODOS PARA LA RESOLUCION DE SISTEMAS LINEALES: PRELIMINARES

Lista de problemas de álgebra, 2016

Regresión Lineal Múltiple

Dr. Alonso Ramírez Manzanares Depto. de Matemáticas Univ. de Guanajuato cimat.mx web:

Contenido. 2 Operatoria con matrices. 3 Determinantes. 4 Matrices elementales. 1 Definición y tipos de matrices

Resolución numérica de sistemas de ecuaciones. Introducción

Métodos en diferencias para problemas de contorno

METODOS NUMERICOS TALLER 3, SEMESTRE

9. Normas y métodos iterativos de resolución de sistemas lineales.

CURSO DE METODOS NUMERICOS Año Académico Curso Tercero de Matemáticas EXAMEN FINAL FEBRERO

Resolución de sistemas lineales

EJERCICIO COMPUTACIONAL N o 4. MÉTODOS ITERATIVOS

Elementos de Cálculo Numérico (M) - Cálculo Numérico

Aplicar este algoritmo para resolver el sistema de ecuaciones: º «« º ««

Unidad 5 Problemas de álgebra lineal numérica.

Análisis Numérico para Ingeniería. Clase Nro. 6

ALN - Curso 2007 Gradiente Conjugado

Problemas Ampliación de Matemáticas. Sistemas lineales 1.- Encontrar la factorización L U de las siguientes matrices:

ÁLGEBRA Algunas soluciones a la Práctica 8

METODOS DE SOLUCION DE SISTEMAS DE ECUACIONES

Eigenvalores y eigenvectores. Método de la potencia

METODOS NUMERICOS. Curso

Una forma fácil de recordar esta suma (regla de Sarrus): Primero vamos a estudiar algunas propiedades de los determinantes.

ITERATIVOS Y DIRECTOS PARA SISTEMAS LINEALES. Ayudante: Rodrigo Torres Aguirre Ejercicios:

Matrices. Álgebra de matrices.

1. Normas matriciales

Resolución numérica de sistemas de ecuaciones lineales

Departamento de Ecuaciones Diferenciales y Análisis Numérico. CÁLCULO NUMÉRICO I (Tema 3 - Relación 2)

1. Elasticidad lineal

(a) (0.5 puntos) Compruebe que esta ecuación tiene exactamente una solución en el intervalo

Elementos de Cálculo Numérico

VIII. Determinación de frecuencias naturales y formas modales

Resolución numérica de problemas de contorno

Método de diferencias finitas para ecuaciones diferenciales parciales elípticas. (Parte I)

Sistemas de Ecuaciones Lineales y Matrices

Solución de sistemas lineales

PRÁCTICA N 5 SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES

Problema de convolución y deconvolución Diferencias finitas para EDO

Matrices y Sistemas de Ecuaciones lineales

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE TEMUCO FACULTAD DE INGENIERÍA DEPTO. DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS SOLUCIÓN NUMÉRICA DE SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES

Primero se triangulariza la matriz: Multiplicando la primera fila por (-1/3) y sumando a la segunda fila: ( ) ( )=( ) ( ) ( )

Métodos Estadísticos Multivariados

SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES

Temas Avanzados en Procesado de Señales Tratamiento Digital de Señales Visuales

Matrices, determinantes y sistemas de ecuaciones lineales

Sistemas de ecuaciones lineales. Matrices

3. Sistemas inconsistentes y sistemas indeterminados

Simulación Numérica de Yacimientos

Matrices triangulares y descomposición LU

Sistemas lineales de ecuaciones

Tema 1: Matrices. Sistemas de ecuaciones. Determinantes

TEMA 1: MATRICES Y DETERMINANTES

Descomposición del valor singular y sus aplicaciones

Métodos multi-malla para problemas de control óptimo de EDP II. Sergio González Andrade 1

Matrices y Sistemas Lineales

Minimización de una forma cuadrática sobre una recta (ejercicios)

Transcripción:

Universidad Nacional Autónoma de México Laboratorio de Cómputo Científico Métodos Multigrid presenta Jorge Zavaleta Sánchez México D.F., a 20 de Agosto de 2009. (UNAM) Agosto, 2009 1 / 40

Problemas Modelo 1 Problemas Modelo 2 Métodos Iterativos 3 Métodos Multigrid (UNAM) Agosto, 2009 2 / 40

Problemas Modelo Problema de Valor a la Frontera de una Dimensión Consideremos el siguiente problema de valor a la frontera de una dimensión: { u (x) + σu(x) = f (x), en Ω = (0, 1), σ 0; u(x) = 0, sobre x {0, 1}. Sea Ω representado por una malla Ω h, con tamaño de malla h = 1 n y puntos de la malla x j = jh. j = 0, 1,..., n. Un esquema de discretización para la segunda derivada en el punto x j, dado por el método de diferencias finitas, es u(x j 1 ) 2u(x j ) + u(x j+1 ) h 2 = u (x j ) + O(h 2 ). (UNAM) Agosto, 2009 3 / 40

Problemas Modelo Hacemos f j f (x j ) y v j u(x j ), además v 0 = v n = 0. Obtenemos el siguiente sistema tridiagonal de n 1 ecuaciones ( ) 2 h 2 + σ v 1 1 h 2 v 2 = f 1 1 ( ) 2 h 2 v j 1 + h 2 + σ v j 1 h 2 v j+1 = f j, j = 2,..., n 2 1 ( ) 2 h 2 v n 2 + h 2 + σ v n 1 = f n (UNAM) Agosto, 2009 4 / 40

Problemas Modelo Representado en forma matricial tienen la forma 1 h 2 2 + σh 2 1 1 2 + σh 2 1 1 2 + σh 2 1 1 2 + σh 2 v 1 v 2 v n 2 v n 1 = f 1 f 2 f n 2 f n 1 De forma más compacta queda como Av = f, con v = (v 1,..., v n 1 ) T y f = (f 1, f 2,..., f n 2, f n 1 ) T. A es una matriz de (n 1) (n 1), tridiagonal, simétrica y definida positiva. (UNAM) Agosto, 2009 5 / 40

Problemas Modelo Problema de Valor a la Frontera de dos Dimensión Análogamente al problema anterior, se puede formular una versión en dos dimensiones. Consideremos el problema de valor a la frontera de dos dimensiones { uxx u yy + σu = f (x, y), en Ω = (0, 1) 2, σ 0; u = 0, sobre (x, y) Ω. Como antes se formula el problema en forma discreta, donde el cuadrado unitario Ω es representado por la malla Ω h, definiendo los puntos de la malla como (x i, y j ) = (ih x, jh y ), donde h x = 1 m y h y = 1 n. (UNAM) Agosto, 2009 6 / 40

Problemas Modelo Reemplazando las derivadas parciales del problema mediante un esquema de diferencias finitas de segundo orden produciendo un sistema de ecuaciones lineales dado por: v i 1,j + 2v ij v i+1,j h 2 x + v i,j 1 + 2v ij v i,j+1 h 2 y + σv ij = f ij v i0 = v in = v 0j = v nj = 0 1 i m 1, 1 j n 1 Hay ahora (m 1) (n 1) puntos interiores de la malla y el mismo número de incógnitas en el problema. Ahora se puede escoger muchos ordenamientos de las incógnitas. Por el momento, se considerara el ordenamiento lexicográfico por líneas de constantes i. (UNAM) Agosto, 2009 7 / 40

Problemas Modelo Las incógnitas de la i-ésima fila de la malla pueden ser recolectadas en el vector v i = (v i1,..., v i,n 1 ) T para1 i m 1. Similarmente, sea f i = (f i1,..., f i,n 1 ) T. El sistema de ecuaciones puede ser dado en forma de bloques de matrices como: B ai v 1 f 1 ai B ai v 2 f 1 2 h 2 = ai B ai v n 2 f n 2 ai B v n 1 f n 1 (UNAM) Agosto, 2009 8 / 40

Problemas Modelo Este sistema es simétrico, tridiagonal por bloques, y ralo. Tiene dimensión de bloque (m 1) (m 1). Cada bloque diagonal, B es una matriz tridiagonal de (n 1) (n 1), que es similar a la matriz del problema de una dimensión. Cada bloque fuera de la diagonal es un múltiplo a = 1, de la hx 2 matriz identidad I de (n 1) (n 1). (UNAM) Agosto, 2009 9 / 40

Métodos Iterativos 1 Problemas Modelo 2 Métodos Iterativos 3 Métodos Multigrid (UNAM) Agosto, 2009 10 / 40

Métodos Iterativos Consideramos el sistema Au = f, donde A es una matriz de n n y sea v una aproximación de u Dos medidas importantes dentro del contexto multigrid son El error: e = u v El residual: r = f Av Ya que e = u v y r = f Av, se puede escribir el sistema Au = f como: Ae = f v Así, resolviendo la ecuación residual, se puede obtener una corrección de la solución aproximada, que es conocida como corrección residual y esta dada por u = v + e (UNAM) Agosto, 2009 11 / 40

Métodos Iterativos Método de Jacobi Consideramos nuevamente el problema modelo de una dimesión { uj 1 + 2u j u j+1 = h 2 f j, 1 j n 1 u 0 = u n = 0 El método de Jacobi, resuelve la j-ésima ecuación para v j conservando las otras variables fijas v (1) j = 1 (0) (v 2 j 1 + v (0) j+1 + h2 f j ), 1 j n 1. (UNAM) Agosto, 2009 12 / 40

Métodos Iterativos Método de Jacobi Sea A = D L U, donde D es diagonal y L y U son estrictamente las partes inferior y superior de A. Entonces el sistema original Au = f se convierte (D L U)u = f Du = (L + U)u + f u = D 1 (L + U)u + D 1 f Si se define la matriz iteración de Jacobi por M J = D 1 (L + U), entonces el método de Jacobi aparece en forma matricial como: v (1) = M J v (0) + D 1 f. (UNAM) Agosto, 2009 13 / 40

Métodos Iterativos Método de Jacobi Amortiguado Considere la iteración. v (1) j = v (0) j ω (0) (0) (v 2 j 1 2v j + v (0) j+1 ) + ω 2 h2 f j, 1 j n 1. Sea A = D L U, la forma matricial es: v (1) = (I ωd 1 A)v (0) + ωd 1 f, o equivalentemente, haciendo M J (ω) = I ωd 1 A, como v (1) = M J (ω)v (0) + ωd 1 f. (UNAM) Agosto, 2009 14 / 40

Métodos Iterativos Método de Gauss-Seidel Consideramos la iteración v j 1 2 (v j 1 + v j+1 + h 2 f j ), 1 j n 1. Considerando nuevamente la descomposición A = D L U, el sistema queda como: (D L)u = Uu + f u = (D L) 1 Uu + (D L) 1 f. Definiendo la matrix iteración de Gauss-Seidel como M G = (D L) 1 U, se puede expresar el método como v (1) M G v (0) + (D L) 1 f (UNAM) Agosto, 2009 15 / 40

Métodos Iterativos Método de Gauss-Seidel Rojo-Negro Actualización de los puntos pares (rojos) v 2j 1 2 (v 2j 1 + v 2j+1 + h 2 f 2j ). Actualización de los puntos impares (negros) v 2j+1 1 2 (v 2j + v 2j+2 + h 2 f 2j+1 ). (UNAM) Agosto, 2009 16 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Cada uno de los métodos puede ser representado en forma general como v (1) = Mv (0) + g Estos métodos están diseñados para que la solución exacta, u, sea un punto fijo de la iteración, esto es u = Mu + g Restando estas ecuaciones, se tiene que e (1) = Me (0) Luego, suponiendo que se tiene un error inicial e (0) y e (k) denota el error en la k-ésima iteración, entonces se tiene que después de m iteraciones e (m) = M m e (0) (UNAM) Agosto, 2009 17 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Si se elige una norma vectorial y norma matricial asociada, entonces se puede acotar el error después de m iteraciones por Se puede mostrar que Por lo tanto, se concluye. e (m) M m e (0) lim m Mm = 0 si y sólo si ρ(m) < 1 El método converge si y sólo si ρ(m) < 1. (UNAM) Agosto, 2009 18 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Consideremos el método de Jacobi amortiguado aplicado al problema modelo de una dimesión para hacer el análisis de las propiedades de suaviazamiento. Recordando que M J (ω) = I ωd 1 A, entonces se sigue que los eigenvalores de M J (ω) y A están relacionados por λ(m J (ω)) = 1 ω 2 λ(a). Luego, el problema se convierte en encontrar los eigenvalores de la matriz original A. (UNAM) Agosto, 2009 19 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Los eigenvalores de A están dados por: ( ) kπ λ k (A) = 4 sin 2 1 k n 1 2n Los correspondientes eigenvectores de A, están dados por ( ) jkπ w k,j = sin, 1 k n 1, 0 j n. n Con estos resultados, se tiene que los eigenvalores de M J (ω) son ( ) kπ λ k (M J (ω)) = 1 2ω sin 2 1 k n 1 2n mientras que los eigenvectores de M J (ω) son los mismos que los de A. (UNAM) Agosto, 2009 20 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Es importante notar que si 0 < ω 1, entonces λ k (M J (ω)) < 1 y así la iteración de Jacobi amortiguada converge. Antes de continuar con el análisis de las propiedades de este método, se necesita distinguir entre los eigenvectores de alta y baja frecuencia. Luego definimos Eigenvectores w k,j de baja frecuencia para 1 k < 1 2 n Eigenvectores w k,j de alta frecuencia para 1 2 n k n (UNAM) Agosto, 2009 21 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Luego se quiere encontrar el valor de ω que haga λ k (M J (ω)) lo más pequeño posible para todo 1 k n 1. Notesé que para todos los valores de ω satisfaciendo 0 < ω 1, ( λ 1 = 1 2ω sin 2 π ) ( ) πh = 1 2ω sin 2 1 ωπ2 h 2 2n 2 2 Este hecho implica que λ 1, el eigenvalor asociado con el modo más suave, va a estar cercano a 1. De esta manera, ningún valor de ω va a reducir las componentes suaves del error eficientemente. (UNAM) Agosto, 2009 22 / 40

Métodos Iterativos Análisis de Convergencia Así del hecho de que ningún valor de ω amortigua las componentes suaves satisfactoriamente, entonces se busca un valor de ω que proporcione el mejor amortiguamiento de las componentes de alta frecuencia. Elegimos ω tal que λ n 2 (M J(ω)) = λ n (M J (ω)) de lo cual se obtiene que ω = 2 3 (UNAM) Agosto, 2009 23 / 40

Métodos Iterativos Experimentos Numéricos Consideramos el sistema Au = 0, luego nuestro problema modelo de una dimesión queda como { uj 1 + 2u j u j+1 = 0, 1 j n 1; u 0 = u 1 (x) = 0. Usando los modos de Fourier como iteración inicial, con n = 64 ( ) jkπ v k = (v j ) k = sin, 1 j n 1, 1 k n 1 n (UNAM) Agosto, 2009 24 / 40

Métodos Iterativos Experimentos Numéricos El error, en el método de Jacobi amortiguado sobre Au = 0, con 100 iteraciones usando las aproximaciones iniciales v 1 (azul), v 3 (verde) y v 6 (rojo) (UNAM) Agosto, 2009 25 / 40

Métodos Iterativos Experimentos Numéricos Utilizamos el método de Jacobi amortiguado sobre el problema de una dimensión con ω = 2/3, con la aproximación inicial v 0 = (v j ) k = 1 ( ( ) ( ) ( )) jπ 6jπ 32jπ sin + sin + sin, 3 n n n El error, e, graficado contra el número de iteraciones. (UNAM) Agosto, 2009 26 / 40

Métodos Iterativos Experimentos Numéricos Error inicial v kj = sin ( ) 2jπ + 1 ( ) 16jπ n 2 sin + 1 ( ) 32jπ n 2 sin, n Error inicial Error después de 10 iteraciones. (UNAM) Agosto, 2009 27 / 40

Métodos Multigrid 1 Problemas Modelo 2 Métodos Iterativos 3 Métodos Multigrid (UNAM) Agosto, 2009 28 / 40

Métodos Multigrid Los métodos iterativos tienen la propiedad de suavizamiento, donde las componentes de alta frecuencia del error son eliminadas eficientemente, pero las componentes de baja frecuencia son amortiguadas muy lentamente. Esto podría parecer una limitación, pero usando mallas más gruesas, entonces podemos utilizar la propiedad de suavizamiento con mayor ventaja. x 0 x 0 x n Ω h x n Ω 2h (UNAM) Agosto, 2009 29 / 40

Métodos Multigrid Mallas más gruesas pueden ser usadas para calcular una mejor aproximación inicial para el suavizamiento en la malla fina. El error suave en la malla fina es relativamente más oscilatorio en la malla gruesa. (UNAM) Agosto, 2009 30 / 40

Métodos Multigrid Para k = 1, 2,..., n/2, el k-ésimo modo de Fourier es preservado en la malla gruesa, esto es, ( ) ( ) 2jkπ jkπ wk,2j h = sin = sin = wk,j 2h n n/2 (UNAM) Agosto, 2009 31 / 40

Métodos Multigrid Para k > n/2, el k-ésimo modo sobre la malla fina sufre un fenómeno de aliasing y aparece como el (n k)-ésimo modo sobre la malla gruesa: ( ) ( ) 2jπk jπ(n k) (wk h ) 2j = sin = sin = (wn k 2h n n/2 ) j (UNAM) Agosto, 2009 32 / 40

Métodos Multigrid Idea sobre la Corrección de Malla Gruesa (CGC) Suavizamos sobre Au = f en Ω h para obtener una aproximación v h. Calculamos r = f Av h. Suavizamos sobre Ae = r en Ω 2h, para obtener una aproximación del error, e 2h Corregimos la aproximación: v h v h + e 2h (UNAM) Agosto, 2009 33 / 40

Métodos Multigrid Operador de Prolongación Necesitamos mapear de la malla gruesa a la malla fina I2h h : Ω2h Ω h Sean v h, v 2h definidos sobre Ω h y Ω 2h, respectivamente. Entonces I2h h v 2h = v h donde v h 2j+1 = 1 2 v h 2j = v 2h j, (v 2h j + v 2h j+1 ); } para 0 j n 2 1 (UNAM) Agosto, 2009 34 / 40

Métodos Multigrid Los valores en los puntos sobre la malla gruesa pasan sin cambio a la malla fina. Los valores en la malla fina que no están sobre la malla gruesa son los promedios de sus vecinos en la malla gruesa. (UNAM) Agosto, 2009 35 / 40

Métodos Multigrid Operador Restricción (Inyección) Necesitamos mapear de la malla fina a la malla gruesa I 2h h : Ωh Ω 2h Sean v h, v 2h definidos sobre Ω h y Ω 2h, respectivamente. Entonces donde v h 2i = v 2h i. I 2h h v h = v 2h (UNAM) Agosto, 2009 36 / 40

Métodos Multigrid Operador Restricción (Ponderado) Sean v h, v 2h definidos sobre Ω h y Ω 2h, respectivamente. Entonces donde I 2h h v h = v 2h v 2h j = 1 4 (v h 2j 1 + 2v h 2j + v h 2j+1 ) (UNAM) Agosto, 2009 37 / 40

Métodos Multigrid El Esquema Twogrid El esquema de corrección Twogrid v h TG(v h, v h ) 1 Suavizamos ν 1 veces sobre A h u h = f h con la aproximación inicial v h ; 2 Calculamos el residual en la malla fina: r h = f h A h v h y se restringe a la malla gruesa por r 2h = Ih 2hrh ; 3 Resolvemos A 2h e 2h = r 2h sobre Ω 2h ; 4 Interpolamos el error de la malla gruesa a la malla fina por e h = I2h h e2h y corregimos la aproximación de la malla fina por v h v h + ê h ; 5 Suavizamos ν 2 veces sobre A h u h = f h con aproximación inicial v h ; (UNAM) Agosto, 2009 38 / 40

Métodos Multigrid El Esquema Multigrid El esquema Multigrid v h MGγ h (v h, f h ) 1 Suavizamos ν 1 veces sobre A h u h = f h con la aproximación inicial v h ; 2 Si Ω h es la malla más gruesa, entonces ir al paso 4 De lo contrario f 2h = Ih 2h u h v 2h 0 v h MGγ 2h (v 2h, f 2h ) γ veces 3 Corregimos v h v h + I2h h v2h ; 4 Suavizamos ν 2 veces sobre A h u h = f h con aproximación inicial v h ; (UNAM) Agosto, 2009 39 / 40

Métodos Multigrid El Esquema Multigrid γ = 1, V-ciclo γ = 2, W-ciclo En la practica solo los valores de γ = 1 (que dan lugar a los V-ciclos) y γ = 2 (que dan lugar a los W-ciclos), son utilizados. (UNAM) Agosto, 2009 40 / 40