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文档简介
MultigridMethods
MultigridMethods
- 多重网格
History
MultigridMethods
多重网格法的思想虽然早在30年代就有人提出,但真正广泛应用于工程技术问题是在1977年布朗特(Brandt)的开创性文章之后才开始的
近十多年在许多应用问题上取得显著效果,受到日益广泛的关注
思想其实很简单,可以看成是定常迭代方法的推广或应用
背景历史
HighlightsofMultigrid:
The1-dModelProblem
Poissonequationin[0,1]:
uf
withboundaryconditions
u0u10
Discretizedas:
ui12uiui1 f
h2 i
u u 0
LeadstoalinearequationCu=f,with
2 1
u1
f1
1
1
2 1
u
2
f2
12 1
u3
f3
Ch2
u
f
f
12 1 uN2
N2
12
uN
1
A
fN1
EigenvalueofMatrixA
Eigenvaluej
Eigenvectorvj
能否改进经典方法??
TheeigenvectorsofG arethesameasthoseofA,andareFourierModes:
visinikNk12N1
Theeigenvaluesof Gare
12sin2k2N
Sotheeffectofrelaxationonthemodesis
Note:Novalue
of willdampoutthelowfrequencywaves
1
0
.5
0
-0
.5
-1
N=400
13
12
23
1
0 200 400
Manyrelaxationschemes
havethesmoothingproperty,whereoscillatory
modesoftheerrorare
eliminatedeffectively,butsmoothmodesaredamped
veryslowly.
Initialerror,
Errorafter35iterationsw
2
1
0
-1
-2
0 0.5 1
循环格式:V循环
MultigridMethods
h2h
4h8h
16h
问题讨论
网格数:2m×n+2mm是层数,
n是最小一层的网格数
Smootherrorcanberepresentedonacoarsegrid
Asmoothfunction:
1
0.5
0
-0.5
-1
0 0.5 1
Onthecoarsegrid,thesmootherrorappearstoberelativelyhigherinfrequency:intheexampleitisthe4-mode,outofapossible16,onthefine
grid,1/4thewayupthe
Canberepresentedbylinearspectrum.Onthecoarse
interpolationfromacoarsergrid:
1
grid,itisthe4-modeoutofapossible8,henceitis1/2thewayupthespectrum.
0 5
0
-0 5
-1
0
0 5 1
Relaxationwillbemoreeffectiveonthismodeifdoneonthecoarsergrid!!
Performrelaxationonfinegriduntilerrorissmooth.
Ahuh fh
Computeresidual,rhfhAhuh
r
Transferittothecoarsegrid
I
r2h
2h hh
Coarse-gridCorrection
Solvethecoarse-gridresidualequationtoobtaintheerror:
A2he2h r2h e2h A2h1r2h
Interpolatetheerrortothefinegridandcorrectthefine-gridsolution:
uhuh
Ihe2h
2h
ComputerhfhAhuh u uheh
I
e
Restrict Interpolate
h
r2h I2hrh
SolveA2he2hr2h
e2h A2h1r2h
eh
h 2h2h
05
10
Interpolationandrestrictionoperators:
05
05
010
025
10025
Ih
10
I2h 01
0
I2h
02510025
2h
05
05 h
10
05
h
010
02510
025
Linear Injection Full-weighting
Interpolation
ToolsNeeded
Coarse-gridOperator
Twomethods:
A2h .
Discretizeequationatlargerspacing
I
A
h
UseGalerkinFormula:
A2h
2h hh
I2h
uhGAhfh uhuheh
f2hI2hfhAhuh
ehIhu2h
h 2h
u2hGA2hf2h u2hu2he2h
2h e
f4hI4hf2hA2hu2h
2hI2hu4h
4h
u4hGA4hf4h
f8hI8hf4hA4hu4h
u4hu4h
e4hI4hu8h
e4h
4h 8h
u8hGA8hf8h u8hu8he8h
eHAH1fH
W循环
问题讨论
FMV循环
问题讨论
OtherProblems
Analysis
多重网格法已从理论上被证明至少对于线性的椭圆型问题(典型问题如Laplace方程)是一种最优的数值方法。
其计算工作量仅仅与网格节点数的一次方成
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