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Multigrid-Augmented Deep Learning Preconditioners for the Helmholtz Equation

预处理程序 解算器 多重网格法 背景(考古学) 应用数学 亥姆霍兹方程 计算机科学 卷积神经网络 数学 算法 数学优化 迭代法 偏微分方程 人工智能 数学分析 边值问题 生物 古生物学
作者
Yael Azulay,Eran Treister
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:45 (3): S127-S151 被引量:15
标识
DOI:10.1137/21m1433514
摘要

In this paper, we present a data-driven approach to iteratively solve the discrete heterogeneous Helmholtz equation at high wavenumbers. In our approach, we combine classical iterative solvers with convolutional neural networks (CNNs) to form a preconditioner which is applied within a Krylov solver. For the preconditioner, we use a CNN of type U-Net that operates in conjunction with multigrid ingredients. Two types of preconditioners are proposed: (1) U-Net as a coarse grid solver and (2) U-Net as a deflation operator with shifted Laplacian V-cycles. Following our training scheme and data-augmentation, our CNN preconditioner can generalize over residuals and a relatively general set of wave slowness models. On top of that, we also offer an encoder-solver framework where an “encoder" network generalizes over the medium and sends context vectors to another “solver" network, which generalizes over the right-hand sides. We show that this option is more robust and efficient than the standalone variant. Last, we also offer a mini-retraining procedure, to improve the solver after the model is known. This option is beneficial when solving multiple right-hand sides, like in inverse problems. We demonstrate the efficiency and generalization abilities of our approach on a variety of two-dimensional problems.
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