A domain decomposition method for the solution of general variable-coefficient elliptic partial differential equations on regular domains is introduced. The method is based on tessellating the domain into overlapping thin slabs or shells, and then explicitly forming a reduced linear system that connects the different domains. Rank-structure ('H-matrix structure') is exploited to handle the large dense blocks that arise in the reduced linear system. Importantly, the formulation used is well-conditioned, as it converges to a second kind Fredholm equation as the precision in the local solves is refined. Moreover, the dense blocks that arise are far more data-sparse than in existing formulations, leading to faster and more efficient H-matrix arithmetic. To form the reduced linear system, black-box randomized compression is used, taking full advantage of the fact that sparse direct solvers are highly efficient on the thin sub-domains. Numerical experiments demonstrate that our solver can handle oscillatory 2D and 3D problems with as many as 28 million degrees of freedom.


翻译:本文提出了一种用于求解规则区域上一般变系数椭圆型偏微分方程的区域分解方法。该方法基于将区域细分为重叠的薄板或薄壳,然后显式构建连接不同子区域的降阶线性系统。通过利用秩结构('H-矩阵结构')来处理降阶线性系统中出现的大型稠密块。重要的是,所采用的公式具有良好的条件数,因为当局部求解精度提高时,它会收敛于第二类Fredholm方程。此外,所生成的稠密块比现有公式中的数据稀疏性更高,从而实现了更快速、更高效的H-矩阵运算。为构建降阶线性系统,采用了黑盒随机压缩技术,充分利用了稀疏直接求解器在薄子区域上高效求解的优势。数值实验表明,我们的求解器能够处理高达2800万自由度的振荡性二维和三维问题。

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