Richiesta di riferimento: analisi rigorosa di algoritmi per PDE e ODE


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Sono interessato a suggerimenti per riferimenti di libri sull'argomento PDE e ODE numerici, in particolare un'analisi rigorosa di tali metodi in un modo scritto per matematici professionisti. Non deve essere estremamente completo nel senso di elencare centinaia o migliaia di metodi diversi, ma sarei interessato a qualcosa che almeno copra la maggior parte dei concetti chiave che guidano le tecniche moderne.

Penso che sarebbe opportuno tracciare analogie con i libri di testo sull'algebra lineare numerica, di cui ho più familiarità. Sto cercando qualcosa che sia errori di stabilità e troncamento in equazioni numeriche differenziali, poiché l' accuratezza e la stabilità degli algoritmi numerici di Higham è errori di stabilità e arrotondamento dell'algebra lineare numerica, e qualcosa che discute le moderne tecniche in ODE e PDE nel modo in cui Golub e Matrix Computations di Van Loan discute la maggior parte dei principali tipi di tecniche per l'algebra lineare.

In realtà so molto poco su ODE e PDE numerici. Ho letto un assortimento di note online e ho il libro Metodi di differenza finita per equazioni differenziali ordinarie e parziali di Randall LeVeque, che è un libro chiaro ma non abbastanza approfondito per i miei scopi. Come esempio più concreto del livello che sto cercando, spero che qualsiasi sezione sulle equazioni ellittiche e paraboliche presuma che il lettore abbia piena familiarità con la teoria degli spazi di Sobolev e dei loro incorporamenti e soluzioni deboli per PDE e utilizza i risultati da tale teoria piuttosto liberamente nel ricavare stime di errori per elementi finiti, ecc.


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Un avvertimento: per i sistemi non lineari di PDE iperbolici, nessuno dei metodi all'avanguardia nell'uso effettivo è dimostratamente convergente (non abbiamo nemmeno gli strumenti per dimostrare la buona posizione dei problemi, in genere). Quindi devi scegliere tra provare cose per problemi / metodi del giocattolo o conoscere problemi / metodi praticamente significativi.
David Ketcheson,

@DavidKetcheson, sì, è un po 'sfortunato. I miei interessi generali risiedono nel tentativo di sviluppare la teoria per i metodi computazionali, per quanto possa essere chiassosi.
Christopher A. Wong,

Risposte:


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Non troverai un riferimento che copra sistematicamente l'analisi di tutti i metodi importanti per PDE. Il campo delle tecniche di discretizzazione per PDE è almeno un ordine di grandezza più ampio di qualsiasi argomento sopra menzionato. Per tutti i metodi che implicano la risoluzione implicita, lo studio delle discretizzazioni senza considerare anche i metodi di soluzione (ad esempio i metodi multigrid associati) è un modo provato e vero di dipingere te stesso nell'angolo "irrimediabilmente impraticabile".

Presumibilmente hai familiarità con Brenner e Scott, The Mathematical Theory of Finite Element Methods . È un testo di livello universitario e, sebbene abbia la sua parte di introduzione, è possibile ottenere rapidamente risultati importanti.

Per un'analisi degli errori a posteriori in FEM, una buona fonte è il documento di revisione, Ainsworth e Oden, Stima degli errori a posteriori nell'analisi degli elementi finiti , 1997 .

Per i metodi a volume finito, potrebbe piacerti il ​​documento Acta Numerica Morton and Sonar, Metodi a volume finito per le leggi di conservazione iperbolica , 2007 . Come vanno gli articoli di Acta Numerica, questo non è molto citato. Sospetto che ciò sia in parte dovuto al fatto che il libro di LeVeque è molto buono e perché la maggior parte dei praticanti che non hanno usato il suo libro hanno familiarità con molte delle fonti originali. Sebbene non ne abbia familiarità, potresti anche esaminare i metodi Bouchut, Stabilità non lineare dei volumi finiti per le leggi di conservazione iperbolica .


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Secondo il punto di Jed sull'importanza di considerare i risolutori contemporaneamente alle discretizzazioni. Questo è qualcosa che i matematici "più puri" a volte non riescono a fare, a loro svantaggio, poiché stanno risolvendo il problema sbagliato . Cose come la struttura a blocchi, il modello di sparsità e la capacità di costruire precondizionatori tendono ad essere molto più importanti delle cose semplici come il numero di gradi di libertà / dimensione delle maglie.

Brezzi & Fortin - "Metodi agli elementi finiti misti e ibridi" copre materiale complementare a Brennero e Scott. Tuttavia, è esaurito e le persone si attaccano davvero alle loro copie, quindi se non vuoi pagare diverse centinaia di dollari, probabilmente dovresti prenderlo in prestito dalla tua biblioteca.

La serie di articoli di Rannacher et al. All'inizio del 2000 come "Un approccio di controllo ottimale alla stima di un errore posteriore nei metodi agli elementi finiti" fornisce una comprensione più profonda e più ampiamente applicabile della stima di un errore posteriore rispetto a quanto spiegato in Ainsworth e Oden libro (secondo me).

Gli spazi di Sobolev non sono gli spazi di funzione per tutti i PDE, anche se potresti avere l'impressione di leggere libri di laurea introduttivi come Evans. Gli spazi di Besov sono più generali e piuttosto belli e ti costringono a pensare a come e perché determinati spazi funzionali sono costruiti controllando i blocchi di base per fornire vincoli su oscillazione, integrabilità e struttura multiscala. Un bell'articolo "filosofico" sul tema degli spazi funzionali è ampiamente il post di Terry Tao qui . Il libro di Triebel (principalmente sugli spazi di Besov), "Theory of Function Spaces II" , è fantastico! C'è una profonda connessione tra gli spazi di Besov e le wavelet, quindi l' articolo molto leggibile di DeVore sulle wavelet è utile.


In realtà, Springer ha recentemente reso di nuovo disponibile il libro Brezzi & Fortin (come stampa su richiesta). Potresti voler resistere, però, poiché a quanto pare a maggio uscirà una versione aggiornata .
Christian Clason,

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Oltre alle ottime raccomandazioni di Jed (posso personalmente garantire a Brenner + Scott un ottimo libro introduttivo sugli elementi finiti), un eccellente libro per la soluzione numerica degli ODE è Butcher:

http://books.google.com/books/about/Numerical_Methods_for_Ordinary_Different.html?id=opd2NkBmMxsC

Questa è stata la mia bibbia per un bel po ', fino a quando la mia biblioteca universitaria non l'ha ricordata.

Inoltre potresti trovare Ern + Guermond come un libro prezioso, se sei già a tuo agio con la delicata matematica

http://books.google.com/books/about/Theory_and_Practice_of_Finite_Elements.html?id=CCjm79FbJbcC

Dopo aver letto alcuni articoli di Ern + Guermond, posso dire che sono decisamente inclini al pesante formalismo. I capitoli sono più o meno autosufficienti modulo alcune notazioni che potresti dover girare per ottenere la definizione di.


Grazie per i vostri suggerimenti. Il libro di Ern & Guermond ha il tipo di sapore a cui sono orientato, essendo un matematico.
Christopher A. Wong,

In questo caso potresti anche essere interessato al libro di DiPietro ed Ern sui metodi discontinui di Galerkin .
Christian Clason,

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Per PDE, un libro con un simile sapore funzionale-analitico come Ern e Guermond è D. Braess, Finite Elements , Cambridge University Press, 2007 . Essendo un libro di testo piuttosto che una monografia di ricerca, è più accessibile, sebbene meno completo. D'altra parte, discute anche delle applicazioni (principalmente nell'elasticità).

Per quanto riguarda gli ODE, credo che la Bibbia sia ancora l'opera in tre volumi di Hairer e Wanner ( Risolvere ODE I , Risolvere ODE II e Integrazione numerica geometrica ).

Infine, non trascurare le molte eccellenti lezioni disponibili su Internet.

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