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2022-05-31
英文标题:
《Hybrid PDE solver for data-driven problems and modern branching》
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作者:
Francisco Bernal and Gon\\c{c}alo dos Reis and Greig Smith
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最新提交年份:
2017
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英文摘要:
  The numerical solution of large-scale PDEs, such as those occurring in data-driven applications, unavoidably require powerful parallel computers and tailored parallel algorithms to make the best possible use of them. In fact, considerations about the parallelization and scalability of realistic problems are often critical enough to warrant acknowledgement in the modelling phase. The purpose of this paper is to spread awareness of the Probabilistic Domain Decomposition (PDD) method, a fresh approach to the parallelization of PDEs with excellent scalability properties. The idea exploits the stochastic representation of the PDE and its approximation via Monte Carlo in combination with deterministic high-performance PDE solvers. We describe the ingredients of PDD and its applicability in the scope of data science. In particular, we highlight recent advances in stochastic representations for nonlinear PDEs using branching diffusions, which have significantly broadened the scope of PDD.   We envision this work as a dictionary giving large-scale PDE practitioners references on the very latest algorithms and techniques of a non-standard, yet highly parallelizable, methodology at the interface of deterministic and probabilistic numerical methods. We close this work with an invitation to the fully nonlinear case and open research questions.
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中文摘要:
大规模偏微分方程的数值解,例如发生在数据驱动应用中的偏微分方程,不可避免地需要强大的并行计算机和定制的并行算法来尽可能充分地利用它们。事实上,对现实问题的并行化和可伸缩性的考虑通常非常关键,足以保证在建模阶段得到承认。本文的目的是推广概率区域分解(PDD)方法,这是一种新的PDE并行化方法,具有良好的可扩展性。该思想利用了PDE的随机表示及其通过蒙特卡罗逼近,并结合确定性高性能PDE解算器。我们描述了PDD的组成及其在数据科学领域的适用性。特别是,我们强调了使用分支扩散的非线性偏微分方程随机表示的最新进展,这大大拓宽了偏微分方程的范围。我们设想这项工作是一本词典,为大规模PDE从业者提供关于确定性和概率数值方法界面上非标准但高度并行的方法学的最新算法和技术的参考。在结束这项工作时,我们邀请大家讨论完全非线性的案例和开放的研究问题。
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分类信息:

一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Numerical Analysis        数值分析
分类描述:Numerical algorithms for problems in analysis and algebra, scientific computation
分析和代数问题的数值算法,科学计算
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一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Probability        概率
分类描述:Theory and applications of probability and stochastic processes: e.g. central limit theorems, large deviations, stochastic differential equations, models from statistical mechanics, queuing theory
概率论与随机过程的理论与应用:例如中心极限定理,大偏差,随机微分方程,统计力学模型,排队论
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一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Computational Finance        计算金融学
分类描述:Computational methods, including Monte Carlo, PDE, lattice and other numerical methods with applications to financial modeling
计算方法,包括蒙特卡罗,偏微分方程,格子和其他数值方法,并应用于金融建模
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2022-5-31 12:24:33
发表在《欧洲应用数学杂志》(EJAM)-(这是SMUR的最终版本)数据驱动问题的混合PDE解算器和现代分支Francisco Bernal、Goncalo dos Reis2,3和Greig Smith2,4地图-数学材料中心贴花、Ecole Polytechnique、Route de Saclay、91128 Palaiseau Cedex、FR.email:Francisco。Bernal@polytechnique.eduUniversity爱丁堡大学数学学院,爱丁堡,EH9 3FD,英国。电子邮件:G。dosReis@ed.ac.ukCentrode Matemática e Aplicacoes(CMA),FCT,UNL,PT。英国爱丁堡爱丁堡大学麦克斯韦研究所分析及其应用研究生院(MIGSAA)。电子邮件:G.Smith-13@sms.ed.ac.uk(2017年5月11日-2017年4月18日接受出版)大规模偏微分方程的数值解,例如发生在数据驱动应用中的偏微分方程,不可避免地需要强大的并行计算机和定制的并行算法,以尽可能充分利用它们。事实上,对现实问题的并行化和可伸缩性的考虑通常非常关键,足以保证在建模阶段得到承认。本文旨在推广概率域分解(ProbabilisticDomain Decomposition,PDD)方法,这是一种新的pde并行化方法,具有良好的可扩展性。该思想利用了PDean的随机表示及其通过蒙特卡罗与确定性高性能PDE解算器相结合的近似。我们描述了PDD的组成及其在数据科学领域的适用性。
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2022-5-31 12:24:36
特别是,我们强调了使用分支扩散对非线性模型进行随机表示的最新进展,这显著拓宽了PDD的范围。我们设想这项工作是一本词典,为大规模PDE从业者提供关于确定性和概率数值方法界面上非标准但高度并行的方法学的最新算法和技术的参考。在结束这项工作时,我们邀请大家讨论完全非线性的案例和开放的研究问题。关键词:概率区域分解、高性能并行计算、可扩展性、非线性偏微分方程、显著分支扩散、混合偏微分方程求解器、蒙特卡罗方法。2010年AMS主题分类:主要:65C05、65C30、次要:65N55、60H35、91-XX、35CXX1简介偏微分方程(PDE)在建模中无处不在,出现在图像分析和处理、反问题、形状分析和优化、过滤、数据同化和优化控制中。它们在数学生物学中被用来模拟肿瘤竞争或生长的种群动态;或者模拟2 F.Bernal等人的复杂动力学。人群中的人员移动,或者模拟(ir)玩家在游戏中的理性决策,以及数学金融中许多复杂问题的特征。所有这些应用的基础是在有界或无界域中数值求解此类方程的必要性。确定性区域分解。边值问题(BVP)的标准示例是具有Dirichlet边界条件(BCs)的拉普拉斯方程:如果x,则u(x)=0∈ Ohm  Rd,u(x)=g(x),如果x∈ Ohm.
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2022-5-31 12:24:40
(1.1)实际应用中涉及的大型数据集几乎总是意味着(1.1)等BVP的离散化会导致代数方程组,这些方程组只能在具有大量(例如p>>1)处理器的并行计算机上求解。并行化不仅需要多个处理器,还需要并行算法。classicalSchwarz的交替方法是第一种,并且仍然是这种算法的范例,我们称之为“确定性区域分解”(DDD)[58]。虽然最先进的DDD算法在各个方面都优于Schwarz的交替方法,但后者仍然可以说明它们都面临的关键困难。施瓦兹算法的思想是分割Ohm 使处理器j=1,····,p解决PDE对子域的限制,OhmJSE见图1.1。图1.1:。任意区域上的区域分解Ohm, 分成四个重叠的子域OhmSchwarz交替法需要ias。子域Ohmishighlighted。由于解决方案一开始还未知,BCs在Ohmjare也是未知的,因此,为了给processorj一个适定(但不正确)的问题,必须进行初步猜测。沿Ohmjarethen以迭代的方式更新了周围子域的解决方案,直到收敛。处理器间通信和DDD的可扩展性限制。由于DDD更新过程中涉及的处理器间通信本质上是顺序的,因此它根据众所周知的阿姆达尔定律将alimit设置为算法的可伸缩性。下面是一个简单的示例。如果处理器数量增加一倍,则完全可扩展的算法将需要一半的时间(例如T/2)才能运行。
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2022-5-31 12:24:43
如果有一个分数ν<1的算法是连续的,那么完成时间将不会低于wtν,无论添加了多少个处理器。例如,在Schwarz的方法中,如果等待数据驱动问题的混合PDE解算器和现代分支3人工BCs准备就绪,一个给定处理器的执行时间损失了5%(即ν=.05),那么执行时间最多可以缩短20倍(处理器数量非常多;大约19倍就已经占用了1000多个处理器)。换句话说,Schwarz的交替算法或任何DDD算法都无法充分利用并行计算机的全部功能,因为在(基本的)通信中浪费了空闲时间。我们通过借用David Keyes的一个例子来进一步强调这一点。戈登·贝尔奖每年颁发给在解决实际问题时在性能上取得突破的数值格式。1999年,其中一个问题是模拟飞机机翼周围的可压缩Navier-Stokes方程。有128个处理器,获胜的代码花了43分钟来完成任务。另一方面,对于3072个处理器,它需要2.5分钟,而不是像完全并行化算法那样需要1.79分钟。剩下的28%的计算机时间都浪费在了处理器间的通信上。此时,添加更多处理器将导致更快的可扩展性损失。概率区域分解(PDD)方法。Acebron等人基于Renato Spigler之前未发表的想法,通过PDD方法(或者更确切地说,PDD框架)实现了概念上的突破。PDD是唯一一种可能不需要通信的区域分解方法,因此具有完全可扩展性。
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2022-5-31 12:24:46
它通过将模拟分为两个单独的阶段来实现,第一阶段将BVP重新设定为随机公式(通过所谓的费曼-卡克公式),从而计算特定时间/空间点的PDE解。因此,我们可以计算DDD的实际接口的“真实”解决方案值Ohm因此,以前未知的活动边界现在已知了!因此,子域现在彼此完全独立,第二阶段涉及以完全并行的方式求解子域上的解。PDD计算将受到两个独立的数值误差源的影响:子域解算器和蒙特卡罗模拟的统计误差。目前,人们对线性情况下的PDD有很好的理解,尽管最近在随机表示方面的进展为将PDD用于非线性PDE打开了大门。一类强服从PDD的非线性偏微分方程,其解可由所谓的分支过程表示,如【61】、【57】、【51】所述,并由【43】和【42】进行了扩展。这种方法避免了反向回归,即所谓的“蒙特卡罗模拟的蒙特卡罗”问题,见下文第4节或[41,第3.1节]。为了说明PDD中分支的潜力,第3节给出了数值例子。对于一般的轻度非线性偏微分方程,线性化和求解每个线性迭代的直接(通常有效)方法可以很容易地用PDD实现,而无需借助非线性表示。据我们所知,非线性二阶抛物型/椭圆型偏微分方程或完全非线性偏微分方程组的一般情况尚未在PDD框架中解决。
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