Estudo e aplicação do método multimalha na resolução de sistemas lineares

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Leandro, Maria Eduarda Martins
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/40944
Resumo: The search for solutions to linear systems appears in different contexts, such as in the field of optimization, control theory, computational tomography, and the study of fluid dynamics problems. Physical phenomena related to fluid dynamics are often modeled using differential equations, which often lack a known analytical solution. In particular, there is a frequent need to obtain solutions for elliptic partial differential equations, such as the Poisson equation or the Laplace equation. The search for a numerical solution to this type of equation requires solving sparse linear systems of large dimension and not always with well-defined structure, which usually also need to be solved numerically.In this context, the present work focuses on the development and implementation of multigrid methods to investigate their characteristics and evaluate their efficiency in solving systems. This technique is widely used to accelerate the convergence of equation systems by exploiting the advantage that some numerical methods have in effectively smoothing high-frequency errors at different refinement levels. Multigrid methods in a V-cycle composed of 2, 3, or four levels are used to solve sparse linear systems resulting from the discretization of the Laplace and Poisson equations via second-order accurate finite differences. Comparative analyses of runtime and the number of cycles needed were conducted and demonstrate the potential use of the technique as a convergence accelerator for large-scale problems.
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spelling Estudo e aplicação do método multimalha na resolução de sistemas linearesStudy and application of the multimesh method in solving linear systemsMétodos multimalhaSistemas de equações esparsosEquação de PoissonSolução de sistemas linearesCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRAThe search for solutions to linear systems appears in different contexts, such as in the field of optimization, control theory, computational tomography, and the study of fluid dynamics problems. Physical phenomena related to fluid dynamics are often modeled using differential equations, which often lack a known analytical solution. In particular, there is a frequent need to obtain solutions for elliptic partial differential equations, such as the Poisson equation or the Laplace equation. The search for a numerical solution to this type of equation requires solving sparse linear systems of large dimension and not always with well-defined structure, which usually also need to be solved numerically.In this context, the present work focuses on the development and implementation of multigrid methods to investigate their characteristics and evaluate their efficiency in solving systems. This technique is widely used to accelerate the convergence of equation systems by exploiting the advantage that some numerical methods have in effectively smoothing high-frequency errors at different refinement levels. Multigrid methods in a V-cycle composed of 2, 3, or four levels are used to solve sparse linear systems resulting from the discretization of the Laplace and Poisson equations via second-order accurate finite differences. Comparative analyses of runtime and the number of cycles needed were conducted and demonstrate the potential use of the technique as a convergence accelerator for large-scale problems.Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)A busca por soluções de sistemas lineares aparece em diversos contextos, como no ramo da otimização, teoria de controle, tomografia computacional e no estudo de problemas da dinâmica dos fluídos. Fenômenos físicos ligados à dinâmica dos fluidos são geralmente modelados através de equações diferenciais, que muitas vezes não possuem solução analítica conhecida. Em particular, é frequente a necessidade de se obter soluções para equações diferenciais parciais elípticas, como a equação de Poisson ou a equação de Laplace. A busca por uma solução numérica para esse tipo de equação demanda a solução de sistemas lineares esparsos, de grande dimensão e nem sempre com estrutura bem definida, que usualmente também necessitam ser resolvidos numericamente. Nesse contexto, o presente trabalho tem como principal fonte de estudo o desenvolvimento e a implementação de métodos multimalha objetivando verificar suas características e avaliar sua eficiência na resolução de sistemas. Essa técnica é muito utilizada para acelerar a convergência dos sistemas de equações ao explorar a vantagem que alguns métodos numéricos possuem na efetiva suavização de altas frequências do erro em diferentes níveis de refinamento. Métodos multimalha em ciclo V composto por dois, três ou quatro níveis são utilizados para resolver sistemas lineares esparsos decorrentes da discretização da equação de Laplace e Poisson via diferenças finitas de segunda ordem de precisão. Análises comparativas de tempo de execução e número de ciclos necessários foram realizadas e mostram o potencial do uso da técnica como acelerador de convergência para problemas de grande dimensão.Universidade Federal de UberlândiaBrasilMatemáticaRogenski, Josuel Kruppahttp://lattes.cnpq.br/7613670538812221Figueiredo, Rafael Alveshttp://lattes.cnpq.br/1559288892271359Remigio, Santos Alberto Enriquezhttp://lattes.cnpq.br/1068945625375960Leandro, Maria Eduarda Martins2024-01-10T13:28:37Z2024-01-10T13:28:37Z2023-12-01info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisapplication/pdfLEANDRO, Maria Eduarda Martins. Estudo e aplicação do método multimalha na resolução de sistemas lineares. 2023. 83 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Matemática) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/40944porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-01-11T06:18:10Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/40944Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-01-11T06:18:10Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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