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  • Committer: Package Import Robot
  • Author(s): Pierre Saramito, Pierre Saramito, Sylvestre Ledru
  • Date: 2012-05-14 14:02:09 UTC
  • mfrom: (1.1.6)
  • Revision ID: package-import@ubuntu.com-20120514140209-dzbdlidkotyflf9e
Tags: 6.1-1
[ Pierre Saramito ]
* New upstream release 6.1 (minor changes):
  - support arbitrarily polynomial order Pk
  - source code supports g++-4.7 (closes: #671996)

[ Sylvestre Ledru ]
* update of the watch file

Show diffs side-by-side

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removed removed

Lines of Context:
1
 
%\chapter{The $p$-laplacian problem}
 
1
%\chapter{The $p$-Laplacian problem}
2
2
 
3
3
% ---------------------------------- 
4
4
\section{Problem statement}
5
5
% ---------------------------------- 
6
6
\label{sec-p-laplacian}%
7
 
\pbindex{p-laplacian}%
8
 
  Let us consider the classical $p$-laplacian problem
 
7
\pbindex{p-Laplacian}%
 
8
  Let us consider the classical $p$-Laplacian problem
9
9
  with homogeneous Dirichlet boundary conditions
10
10
  in a domain bounded $\Omega \subset R^d$,
11
11
  $d=1,2,3$:
19
19
\bcindex{Dirichlet}%
20
20
\pbindex{Poisson}%
21
21
  When $p=2$, this problem reduces to the linear Poisson problem
22
 
  with homogeneous Dichlet boundary conditions.
23
 
  Otherwise, for any $p>1$, the nonlinear problem is equivalent to the following minimisation problem:
 
22
  with homogeneous Dirichlet boundary conditions.
 
23
  Otherwise, for any $p>1$, the nonlinear problem is equivalent to the following minimization problem:
24
24
 
25
25
  {\it (MP): find $u\in W^{1,p}_0(\Omega)$ such that:}
26
26
  $$
68
68
\section{The fixed-point algorithm}
69
69
% ---------------------------------- 
70
70
\subsection{Principe of the algorithm}
71
 
\cindex{algorithm!fixed-point}%
 
71
\cindex{method!fixed-point}%
72
72
  This nonlinear problem is then reduced to a sequence
73
73
  of linear subproblems by using the fixed-point algorithm.
74
74
  The sequence $\left(u^{(n)}\right)_{n\geq 0}$ is defined
92
92
 
93
93
  Let us introduce a mesh ${\cal T}_h$ of $\Omega$
94
94
  and the finite dimensional space  $X_h$ of continuous
95
 
  picewise polynomial functions
 
95
  piecewise polynomial functions
96
96
  and $V_h$, the subspace of $X_h$
97
97
  containing elements that vanishes on the boundary of $\Omega$:
98
98
  \begin{eqnarray*}
110
110
      a\left(u^{(n)}_h ;u^{(n+1)}_h,v_h\right) = m(f,v_h),
111
111
      \ \forall v_h \in V_h
112
112
  $$
113
 
  By developping $u_h$ on a basis of $V_h$, this 
 
113
  By developing $u_h$ on a basis of $V_h$, this 
114
114
  problem reduces to a linear system.
115
115
\cindex{form!weighted}%
116
116
  The implementation with \Rheolef, involving weighted
134
134
 
135
135
\subsection{Comments}
136
136
\pbindex{Poisson}%
137
 
  The fixed-point algorithm is amorced with $u^{(0)}$ as
 
137
  The fixed-point algorithm is initiated with $u^{(0)}$ as
138
138
  the solution of the linear problem associated to $p=2$,
139
139
  i.e. the standard Poisson problem with Dirichlet boundary
140
140
  conditions.
151
151
  \begin{verbatim}
152
152
     make p_laplacian_fixed_point
153
153
  \end{verbatim}
154
 
  and enter the comands:
 
154
  and enter the commands:
155
155
  \begin{verbatim}
156
156
    mkgeo_grid -t 10 > square.geo
157
157
    geo square.geo
170
170
          \includegraphics[height=6.0cm]{p-laplacian-square-p=1,2-cut.pdf}
171
171
       \end{tabular}
172
172
    \end{center}
173
 
     \caption{The $p$-laplacian for $d=2$:
 
173
     \caption{The $p$-Laplacian for $d=2$:
174
174
        (a) elevation view for $p=1.2$;
175
 
        (b) cut along the first bissectice $x_0-x_1=0$.}
 
175
        (b) cut along the first bisector $x_0-x_1=0$.}
176
176
     \label{fig-p-laplacian}
177
177
  \end{figure}
178
178
  Run the field visualization:
187
187
\cindex{visualization!elevation view}%
188
188
  The first command shows an elevation view of the
189
189
  solution (see~\ref{fig-p-laplacian}.a) while the second one
190
 
  shows a cut along the first bissectrice $x_0=x_1$.
 
190
  shows a cut along the first bisector $x_0=x_1$.
191
191
  (see~\ref{fig-p-laplacian}.b).
192
192
  
193
193
\subsection{Convergence properties of the fixed-point algorithm}
207
207
          \includegraphics{p-laplacian-rate-log.pdf}
208
208
       \end{tabular}
209
209
    %\end{center}
210
 
     \caption{The fixed-point algorithm on the $p$-laplacian for $d=2$:
 
210
     \caption{The fixed-point algorithm on the $p$-Laplacian for $d=2$:
211
211
        (a) convergence when $p<2$;
212
212
        (b) when $p>2$;
213
213
        (c) convergence rate versus $p$;
268
268
  where xdof$(V_h)$ denotes the set of nodes associated to the $V_h$
269
269
  degrees of freedom. Since elements of $V_h$ vanishes on the
270
270
  boundary, the xdof$(V_h)$ contains all nodes associated to the
271
 
  degrees of freedoms of $X_h$ except nodes located on the boudnary.
 
271
  degrees of freedoms of $X_h$ except nodes located on the boundary.
272
272
  Fig~\ref{fig-p-laplacian-rate}.a and~\ref{fig-p-laplacian-rate}.b
273
273
  show that the residual term decreases exponentially versus $n$,
274
274
  since the slope of the plot in semi-log scale tends to be strait.
299
299
\section{The Newton algorithm}
300
300
% ---------------------------------- 
301
301
\subsection{Principe of the algorithm}
302
 
\cindex{algorithm!Newton}%
 
302
\cindex{method!Newton}%
303
303
  An alternative to the fixed-point algorithm is
304
304
  to solve the nonlinear problem $(P)$
305
305
  by using the Newton algorithm.
332
332
      =
333
333
      -F\left(u^{(n)}\right)
334
334
  $$ 
335
 
  and then compute explicitely:
 
335
  and then compute explicitly:
336
336
  $$
337
337
      u^{(n+1)} := u^{(n)} + \delta u^{(n)}
338
338
  $$
498
498
  in the file \file{newton.h}.
499
499
  The main program is~\file{p\_laplacian\_newton.cc}, that
500
500
  uses a class~\code{p\_laplacian}.
501
 
  This class interface is definied in the file \file{p\_laplacian.h}
 
501
  This class interface is defined in the file \file{p\_laplacian.h}
502
502
  and its implementation in~\file{p\_laplacian.icc}
503
503
\cindex{form!weighted!tensorial weight}%
504
504
  The residual term $F(u_h)$ is computed by the member function \code{residual} while the resolution
547
547
\cindex{convergence!super-linear}
548
548
  This is the major advantage of the Newton method.
549
549
  Also the algorithm converge when $p\geq 3$, until $p\approx 4$.
550
 
\cindex{algorithm!fixed-point}%
 
550
\cindex{method!fixed-point}%
551
551
  It was not the case with the fixed point algorithm that diverges in that case.
552
552
  Finally, the Newton algorithm diverges for small values
553
553
  of $p$, e.g. $p<1.5$ and the plot is not showed here.
560
560
\section{The damped Newton algorithm}
561
561
% ---------------------------------- 
562
562
\subsection{Principe of the algorithm}
563
 
\cindex{algorithm!Newton!damped}%
 
563
\cindex{method!Newton!damped}%
564
564
  The Newton algorithm diverges when 
565
565
  the initial $u^{(0)}$ is too far from a solution.
566
566
  Our aim is to modify the Newton algorithm and to obtain
567
 
  a {\em globaly convergent algorith},
 
567
  a {\em globally convergent algorithm},
568
568
  i.e to converge to a solution for any initial $u^{(0)}$.
569
569
  The basic idea is to decrease the step length while
570
570
  maintaining the direction
629
629
        &=& \langle C^{-1}F(u+\lambda \delta u) ,\
630
630
                    F'(u+\lambda \delta u)C^{-1}\delta u \rangle_{V,V'}
631
631
  \end{eqnarray*}
632
 
\cindex{operator!ajoint}%
 
632
\cindex{operator!adjoint}%
633
633
  where the superscript $^*$ denotes the adjoint operator,
634
634
  i.e. the transpose matrix the in finite dimensional case.
635
635
  The practical algorithm for obtaining $\lambda$
636
636
  was introduced first in~\cite{DenSch-1983} and
637
637
  is also presented in~\cite[p.~385]{PreTeuVetFla-1997-C-2ed}.
638
 
  The step length $\lambda$ that satify $\eqref{eq-backtracking}$
 
638
  The step length $\lambda$ that satisfy $\eqref{eq-backtracking}$
639
639
  is computed by using a finite sequence
640
640
  $\lambda_k$, $k=0,1\ldots$ with a second order recurrence:
641
641
  \begin{itemize}
642
 
  \item $k=0$~: initialisation $\lambda_0=1$.
643
 
  If \eqref{eq-backtracking} is satified 
644
 
  whith $u + \lambda_0 \, d$ then 
 
642
  \item $k=0$~: initialization $\lambda_0=1$.
 
643
  If \eqref{eq-backtracking} is satisfied 
 
644
  with $u + \lambda_0 \, d$ then 
645
645
  let $\lambda:=\lambda_0$ and the sequence stop here.
646
646
  
647
647
  \item $k=1$~: first order recursion.
648
648
  The quantities $g(0)=f(u)$ et $g'(0)=\langle f'(u),\, d\rangle$
649
 
  are already computed at initialisation.
 
649
  are already computed at initialization.
650
650
  Also, we already have computed $g(1)=f(u+d)$ when
651
 
  verifiying whether~\eqref{eq-backtracking} was satified.
 
651
  verifying whether~\eqref{eq-backtracking} was satisfied.
652
652
  Thus, we consider the following approximation
653
 
  of $g(\lambda)$ by a second order polynom:
 
653
  of $g(\lambda)$ by a second order polynomial:
654
654
  \[
655
655
      \tilde{g}_1(\lambda)
656
656
        =
659
659
        + g(0)
660
660
  \]
661
661
  After a short computation,
662
 
  we find that the minimum of this polynom is:
 
662
  we find that the minimum of this polynomial is:
663
663
  \[
664
664
        \tilde{\lambda}_1
665
665
        =
666
666
        \Frac{-g'(0)}{2 \{ g(1) - g(0) - g'(0)\} }
667
667
  \]
668
 
  Since the initialisation at $k=0$ does not satisfy
 
668
  Since the initialization at $k=0$ does not satisfy
669
669
  \eqref{eq-backtracking}, it is possible to show that,
670
 
  when $\alpha$ is small enougth, we have $\tilde{\lambda}_1 \leq 1/2$
 
670
  when $\alpha$ is small enough, we have $\tilde{\lambda}_1 \leq 1/2$
671
671
  and $\tilde{\lambda}_1 \approx 1/2$.
672
672
  Let $ \lambda_1 := \max(\lambda_{\rm min},\tilde{\lambda}_1)$.
673
673
  If \eqref{eq-backtracking} is satisfied 
676
676
  
677
677
  \item $k\geq 2$~: second order recurrence.
678
678
  The quantities $g(0)=f(u)$ et $g'(0)=\rangle f'(u),\, d\langle$
679
 
  are available, ytogether with
 
679
  are available, together with
680
680
  $\lambda_{k-1}$, $g(\lambda_{k-1})$,
681
681
  $\lambda_{k-2}$ and $g(\lambda_{k-2})$.
682
 
  Then, $g(\lambda)$ is approximed by the following third order
683
 
  polynom:
 
682
  Then, $g(\lambda)$ is approximated by the following third order
 
683
  polynomial:
684
684
  \[
685
685
      \tilde{g}_{k}(\lambda)
686
686
        =
725
725
  \end{itemize}
726
726
 
727
727
The sequence $(\lambda_k)_{k\geq 0}$ is strictly
728
 
decreasing: when the stopping criteria is not satified
 
728
decreasing: when the stopping criteria is not satisfied
729
729
until $\lambda_k$ reaches the machine precision $\varepsilon_{\rm mach}$
730
730
then the algorithm stops with an error.
731
731
 
772
772
          \includegraphics{p-laplacian-damped-newton-square-r1.pdf}
773
773
       \end{tabular}
774
774
    %\end{center}
775
 
     \caption{The damped Newton algorithm on the $p$-laplacian for $d=2$:
 
775
     \caption{The damped Newton algorithm on the $p$-Laplacian for $d=2$:
776
776
        (a) convergence when $p<2$;
777
777
        (b) when $p>2$.}
778
778
     \label{fig-p-laplacian-damped-newton-rate}
833
833
%% \section{The affine-invariant damped Newton algorithm}
834
834
%% % ----------------------------------------------------
835
835
%% \subsection{Principe of the algorithm}
836
 
%% \cindex{algorithm!affine-invariant damped Newton}%
 
836
%% \cindex{method!affine-invariant damped Newton}%
837
837
%%   
838
838
%%   The so-called {\em natural monotonicity criterion}~\cite{Deu-2004}
839
839
%%   corresponds to the choice of the nonlinear preconditioner