Spectral approximation with matrices issued from discretized operators

par Ana Luisa Silva Nunes

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Soutenue le 11-05-2012

à Saint-Etienne en cotutelle avec l'Universidade do Porto , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) .

Le président du jury était Jorge Rocha.

Le jury était composé de Teresa Diogo, Maria Joana Soares, Laurence Grammont.

  • Titre traduit

    Approximation spectrale de matrices issues d’opérateurs discrétisés


  • Résumé

    Cette thèse considère la solution numérique d'un problème aux valeurs propres de grandes dimensions, dans lequel l'opérateur est dérivé d'un problème de transfert radiatif. Ainsi, cette thèse étudie l'utilisation de matrices hiérarchiques, une représentation efficace de tableaux, très intéressante pour une utilisation avec des problèmes de grandes dimensions. Les matrices sont des représentations hiérarchiques de structures de données efficaces pour les matrices denses, l'idée de base étant la division d'une matrice en une hiérarchie de blocs et l´approximation de certains blocs par une matrice de petite caractéristique. Son utilisation permet de diminuer la mémoire nécessaire tout en réduisant les coûts informatiques. L'application de l'utilisation de matrices hiérarchique est analysée dans le contexte de la solution numérique d'un problème aux valeurs propres de grandes dimensions résultant de la discrétisation d'un opérateur intégral. L'opérateur est de convolution et est défini par la première fonction exponentielle intégrale, donc faiblement singulière. Pour le calcul informatique, nous avons accès à HLIB (Hierarchical matrices LIBrary) qui fournit des routines pour la construction de la structure hiérarchique des matrices et des algorithmes pour les opérations approximative avec ces matrices. Nous incorporons certaines routines comme la multiplication matrice-vecteur ou la decomposition LU, en SLEPc (Hierarchical matrices LIBrary) pour explorer les algorithmes existants afin de résoudre les problèmes de valeur propre. Nous développons aussi des expressions analytiques pour l'approximation des noyaux dégénérés utilisés dans la thèse et déduire ainsi les limites supérieures d'erreur pour ces approximations. Les résultats numériques obtenus avec d'autres techniques pour résoudre le problème en question sont utilisés pour la comparaison avec ceux obtenus avec la nouvelle technique, illustrant l'efficacité de ce dernier


  • Résumé

    In this thesis, we consider the numerical solution of a large eigenvalue problem in which the integral operator comes from a radiative transfer problem. It is considered the use of hierarchical matrices, an efficient data-sparse representation of matrices, especially useful for large dimensional problems. It consists on low-rank subblocks leading to low memory requirements as well as cheap computational costs. We discuss the use of the hierarchical matrix technique in the numerical solution of a large scale eigenvalue problem arising from a finite rank discretization of an integral operator. The operator is of convolution type, it is defined through the first exponential-integral function and hence it is weakly singular. We access HLIB (Hierarchical matrices LIBrary) that provides, among others, routines for the construction of hierarchical matrix structures and arithmetic algorithms to perform approximative matrix operations. Moreover, it is incorporated the matrix-vector multiply routines from HLIB, as well as LU factorization for preconditioning, into SLEPc (Scalable Library for Eigenvalue Problem Computations) in order to exploit the available algorithms to solve eigenvalue problems. It is also developed analytical expressions for the approximate degenerate kernels and deducted error upper bounds for these approximations. The numerical results obtained with other approaches to solve the problem are used to compare with the ones obtained with this technique, illustrating the efficiency of the techniques developed and implemented in this work


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