Simulation of complex dynamical systems arising in many applications is computationally challenging due to their size and complexity. Model order reduction, machine learning, and other types of surrogate modeling techniques offer cheaper and simpler ways to describe the dynamics of these systems but are inexact and introduce additional approximation errors. In order to overcome the computational difficulties of the full complex models, on one hand, and the limitations of surrogate models, on the other, this work proposes a new accelerated time-stepping strategy that combines information from both. This approach is based on the multirate infinitesimal general-structure additive Runge-Kutta (MRI-GARK) framework. The inexpensive surrogate model is integrated with a small timestep to guide the solution trajectory, and the full model is treated with a large timestep to occasionally correct for the surrogate model error and ensure convergence. We provide a theoretical error analysis, and several numerical experiments, to show that this approach can be significantly more efficient than using only the full or only the surrogate model for the integration.


翻译:在许多应用中出现的复杂动态系统的模拟,由于其大小和复杂性,在计算上具有挑战性。模型订单缩减、机器学习和其他类型的替代模型技术为描述这些系统的动态提供了更便宜、更简便的方法,但却是不精确的,并引入了额外的近似错误。为克服整个复杂模型的计算困难以及替代模型的局限性,这项工作提出了一个新的加速时间步骤战略,将两者的信息结合起来。这个方法基于多率的无限的普通结构添加剂Runge-Kutta(MRI-GARK)框架。廉价的替代模型与一个小的时间步骤相结合,以引导解决方案轨迹,而整个模型则用一个大的时间步骤处理,以便偶尔纠正替代模型的错误,并确保趋同。我们提供了理论错误分析以及几个数字实验,以表明这种方法比仅仅使用整个或仅使用集成的替代模型可以大大提高效率。

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