多重网格方法求解两类Helmholtz方程

详细给出了多重网格方法的实现过程,借助正定Helmholtz方程及不定Helmholtz方程的求解来探讨多重网格方法的特性。对多重网格V环、W环以及F环三种不同迭代格式的收敛效果进行了对比。通过正定Helmholtz方程的求解,发现多重网格的确有很高的计算效率。对于不定Helmholtz方程,随着波数的增加,利用多重网格方法得到结果不收敛,原因出在细网格光滑和粗网格矫正过程。如何针对此问题对多重网格进行有效改进还有待进一步研究。     

大尺度图像编辑的泊松方程并行多重网格求解算法

随着获取设备的发展,大尺度、高分辫率数字图像已逐步进入人们的生活,大尺度图像的梯度域编辑显得更为重要,求解大规模未知数的泊松方程是大尺度图像梯度域编辑的关键。传统多重网格算法的迭代、约束和插值操作单独进行,内存和外存间通讯量大,算法效率低,为此提出了一种面向大尺度图像梯度域编辑的并行多重网格求解泊松方程的算法。该算法利用多重网格的迭代、约束和插值过程的内存数据访问局部性和更新相关性,构造滑动工作窗口,使迭代、约束和插值操作并行运行,提高了多重网格算法求解泊松方程的计算效率。全景图拼接实验表明,所提算法的运行效率高于超松弛迭代、高斯塞德尔迭代和传统多重网格算法。     

一种求解输运方程的并行调度算法

高效并行扫描问题是调度问题的子集,调度问题是NP完全问题.针对输运问题的特点,如何按特定的计算次序调度本地网格单元,以保证最佳的计算与通信性能是一个难度很大的问题.文中设计了一种基于局部深度优先的优先级(PDFDS)算法,该算法具有局部性、通信量小、优先级队列好等特点.将PDFDS算法应用到求解二维粒子输运方程的程序中,与现有的调度算法相比,新算法具有更好的并行计算效果,对于大规模计算问题,可以扩展到1024个处理器,相对于64个处理器的并行效率达到了96%.     

一种改进的求解输运方程的并行Sn扫描算法

非结构网格上求解粒子输运方程的可扩展并行算法是一个亟待解决的课题。本文在文献[1]并行流水线勖扫描算法的基础上提出了一种改进算法。改进后的算法可以有效降低原算法对并行机通信延迟的依赖,减少程序运行的通信时间,达到了缩短并行计算时间和提高并行性能的目的。针对二维粒子输运问题进行的数值实验表明,从64扩展到256个处理机时,加速比呈线性增长,改进算法比原算法的并行计算时间最大减少了19％。     

区域分解型并行预条件的一种粗网格校正算法

区域分解是并行计算的基本手段之一,在稀疏线性方程组迭代求解时,对不完全分解等串行计算时很有效的预条件,经常采用区域分解的思想进行并行化。但区域分解的本质是利用局部解来近似全局解,从而必然存在较大误差,为此,提出一种粗网格校正算法,通过非重叠子区域浓缩,每个非重叠子区域浓缩为一个超结点,形成一个含全局信息且阶数等于子区域个数的小线性方程组,之后用其对原并行预条件进行校正。对块Jacobi型、经典加性Schwarz、以及因子组合型并行不完全分解预条件的实验表明,粗网格校正能有效改善收敛性并提高求解效率。     

三维热传导方程的Krylov子空间方法并行分析

热传导方程在地下水流动数值模拟、油藏数值模拟等工程计算中有着广泛应用,其并行实现是加速问题求解速度、提高问题求解规模的重要手段,因此热传导方程的并行求解具有重要意义。对Krylov子空间方法中的CG和GMRES算法进行并行分析,并对不同的预处理CG算法作了比较。在Linux集群系统上,以三维热传导模型为例进行了数值实验。实验结果表明,CG算法比GMRES算法更适合建立三维热传导模型的并行求解。此外,CG算法与BJACOBI预条件子的整合在求解该热传导模型时,其并行程序具有良好的加速比和效率。因此,采用BJACOBI预处理技术的CG算法是一种较好的求解三维热传导模型的并行方案。     

预条件的平方Smith法求解大型Sylvester矩阵方程

提出了一种预条件的平方Smith算法求解大型连续Sylvester矩阵方程,该算法利用交替方向隐式迭代(ADI)来构造预条件算子,将原方程转换为非对称Stein方程,并在Krylov子空间中应用平方Smith法迭代产生低秩逼近解。数值实验表明,与已知的Jacobi迭代法等算法相比,该算法有更好的迭代效率和收敛精度。     

三维对流扩散方程的稀疏存储及预条件迭代

基于四阶紧致格式对三维对流扩散方程进行离散,并给出所得到的离散线性方程组的块三角稀疏矩阵形式。以带双阈值的不完全因子化LU分解[(ILUT(τ,s))]作为预条件子,分别用FGMRES、BICGSTAB和TFQMR作为迭代加速器,对离散线性方程组进行求解验证了格式精度并比较了不同迭代法的CPU时间和迭代步。此外,通过比较传统迭代法和预条件迭代法的计算效率,表明预条件迭代法不仅能够保证格式的四阶精度,还能极大地提高收敛效率。     

求解跨音速势流的自适应并行多重网格算法

本文用并行Ｓｃｈｗａｒｚ方法求解了轴向大扰动、径向小扰动的跨音速势流方程，并用自适应多重网格算法作为整体修正。数值计算表明：自适应并行多重网格算法可使计算效率大为提高。     

一种求解H(curl)型椭圆问题的高效并行预条件子及并行实现

本文为一类H(curl)型椭圆问题的线性棱有限元方程,构造了一种基于节点辅助空间预条件子(HX预条件子)和基于简单粗空间的非重叠区域分解相结合的预条件子,并为该预条件子设计了并行算法,编制了基于MPI+OpenMP二级并行架构的并行程序.数值实验结果表明基于该预条件子的并行PCG法具有良好的算法可扩展能力和并行可扩展能力.     

A New Time-Based Iterative Solver for Linear Standing-Wave Problems

We explore time-based solvers for linear standing-wave problems, especially the oscillatory Helmholtz equation. Here, we show how to accelerate the convergence properties of timestepping. We introduce a new time-based solver that we call phase-adjusted time-averaging (PATA), which we couple to timestepping to form the PATA-TS solver. Numerical experiments indicate that the PATA-TS solver is faster than the PATA solver and timestepping by a factor of 1.2 and 1.5 or more, respectively. We also explain why the PATA-TS solver is robust, efficient, and easy to program for a variety of practical applications.     

曲率驱动的基于亥姆霍兹涡量方程的图像修复模型

图像修复模型根据已知区域信息自动修复目标区域,且保证修复后的图像满足人眼视觉系统的要求,目标区域轮廓自然.理论分析证明,流体力学中无粘亥姆霍兹涡量方程可以实现图像修复.根据曲线和曲面运动方程,使用曲率驱动亥姆霍兹修复模型中的等照度线传输方向.曲率是图像几何特征作用的结果,所以新模型可以很好地保持图像中的线性特征.图像中涡量为平滑程度的度量,二维图像域中涡量具有扩散性,对涡量方程的结果做各向异性扩散,使等照度线间的图像信息交互.亥姆霍兹涡量方程修复模型中的各个参数及扩散过程是涡量扩散性和耗散性以及图像几何特征作用的结果,扩散后的修复模型稳定且不存在错误的传输方向.理论和实验证明了曲率驱动的亥姆霍兹涡量方程模型在图像修复中的有效性.     

一种并行结构化支持向量机次梯度投影算法

支持向量机的次梯度投影算法是解决支持向量机优化求解问题的一种简单有效的迭代算法。该算法通过梯度下降和投影两个步骤的多轮迭代,找到两类最大间隔的分类面。针对该算法忽略了对寻找分类面同样有指导意义的样本分布信息这一问题,在分类器设计中融入结构信息,并且采用MapReduce并行计算框架,提出了一种并行结构化支持向量机的次梯度投影算法,该算法能够充分利用集群的计算和存储能力,适用于海量数据的优化问题。在NASA的两个软件模块缺陷度量数据集CM1和PC1上的实验结果表明,该算法能够加快收敛速度,提高分类性能,有效地解决海量数据的优化求解问题。     

A Modified Fourier–Galerkin Method for the Poisson and Helmholtz Equations

In this paper we present a modified Fourier–Galerkin method for the numerical solution of the Poisson and Helmholtz equations in a d-dimensional box. The inversion of the differential operators requires O(N ^d ) operations, where N ^d is the number of unknowns. The total cost of the presented algorithms is O(N ^d :log₂:N), due to the application of the Fast Fourier Transform (FFT) at the preprocessing stage. The method is based on an extension of the Fourier spaces by adding appropriate functions. Utilizing suitable bilinear forms, approximate projections onto these extended spaces give rapidly converging and highly accurate series expansions.     

The exterior problem for the Helmholtz equation with mixed boundary conditions in three dimensions

In this article, a new integral equation is derived to solve the exterior problem for the Helmholtz equation with mixed boundary conditions in three dimensions, and existence and uniqueness is proven for all wave numbers. We apply the boundary element collocation method to solve the system of Fredholm integral equations of the second kind, where we use constant interpolation. We observe superconvergence at the collocation nodes and illustrate it with numerical results for several smooth surfaces.     

An inverse scattering method for a 1-D dissipative Helmholtz equation

In this numerical method for simultaneous reconstruction of permittivity and conductivity in the one-dimensional inverse problem for the Helmholtz equation, a system of Riccati equations with trace formulae is derived, then used to propagate reflection and transmission data into the interior of an interval to obtain inhomogeneous material profiles. Numerical results are examined.     

Non-overlapping domain decomposition algorithm based on modified transmission conditions for the Helmholtz equation

A square-root based transmission conditions domain decomposition method was recently introduced for the Helmholtz equation. It produces an effective algorithm where the convergence is independent of the wavenumber and the mesh discretization. We modify here these conditions in order to guarantee well-posedness of local problems and further improve the efficiency of the whole method. Numerical results, in particular in the three dimensional case, show significant reduction of the computational time needed in the iterative procedure while preserving the iteration number when compared with the original algorithm.     

An optimal compact sixth-order finite difference scheme for the Helmholtz equation

In this paper, we present an optimal compact finite difference scheme for solving the 2D Helmholtz equation. A convergence analysis is given to show that the scheme is sixth-order in accuracy. Based on minimizing the numerical dispersion, a refined optimization rule for choosing the scheme’s weight parameters is proposed. Numerical results are presented to demonstrate the efficiency and accuracy of the compact finite difference scheme with refined parameters.     

An adaptive boundary element for eigenvalue problems with the Helmholtz equation: simplified h-scheme

A simplified h-version of the adaptive boundary elements is proposed for the eigenvalue analysis of the Helmholtz equation. The new scheme considers the effect of each local boundary element refinement, not on the eigenvalue but on the eigenvector, which is devised for possible application of the conventional adaptive mesh construction strategy for boundary value problems. In this paper, for improvement of computational efficiency, the local reanalysis for obtaining the eigenvector is employed. The error indicator of the eigenvector in place of that of the eigenvalue, the global value, decides selectively the boundary elements to be refined. Utility of the proposed method is compared, through some examples, with those previously developed.     

二维Helmholtz方程外问题基于自然边界归化的重叠型区域分解算法

１．引 言 设是平面光滑闭曲线,是以为边界的外部区域,考虑二维Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程外Ｎｅｕｍａｎｎ问题并在无穷远处满足Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ辐射条件其中是区域的边界的外法线方向,即指向由包围的内部区域．κ在许多情况下（例如约化波动方程）是实数,在另一些情况下则是纯虚数．本文仅讨论κ为纯虚数的情况,且不失一般性,可设Ｉｍ（ｋ）＞０． 用某些数值方法求解线性抛物型方程或线性双曲型方程的初边值问题时,可能导致求解Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程的外问题．例如,用自然边界元法求解线性抛物型方程的初边值问题时就导致求…