Preconditioning strategies for the numerical solution of convection-diffusion partial differential equations

Il trattamento numerico dell'equazione di convezione-diffusione con le relative condizioni al bordo, comporta la risoluzione di sistemi lineari algebrici di grandi dimensioni in cui la matrice dei coefficienti è non simmetrica. Risolutori iterativi basati sul sottospazio di Krylov sono ampiamente utilizzati per questi sistemi lineari la cui risoluzione risulta particolarmente impegnativa nel caso di convezione dominante. In questa tesi vengono analizzate alcune strategie di precondizionamento, atte ad accelerare la convergenza di questi metodi iterativi. Vengono confrontati sperimentalmente precondizionatori molto noti come ILU e iterazioni di tipo inner-outer flessibile. Nel caso in cui i coefficienti del termine di convezione siano a variabili separabili, proponiamo una nuova strategia di precondizionamento basata sull'approssimazione, mediante equazione matriciale, dell'operatore differenziale di convezione-diffusione. L'azione di questo nuovo precondizionatore sfrutta in modo opportuno recenti risolutori efficienti per equazioni matriciali lineari. Vengono riportati numerosi esperimenti numerici per studiare la dipendenza della performance dei diversi risolutori dalla scelta del termine di convezione, e dai parametri di discretizzazione.

Applications of elliptic functions to solve differential equations

In questa tesi si mostrano alcune applicazioni degli integrali ellittici nella meccanica Hamiltoniana, allo scopo di risolvere i sistemi integrabili. Vengono descritte le funzioni ellittiche, in particolare la funzione ellittica di Weierstrass, ed elenchiamo i tipi di integrali ellittici costruendoli dalle funzioni di Weierstrass. Dopo aver considerato le basi della meccanica Hamiltoniana ed il teorema di Arnold Liouville, studiamo un esempio preso dal libro di Moser-Integrable Hamiltonian Systems and Spectral Theory, dove si prendono in considerazione i sistemi integrabili lungo la geodetica di un'ellissoide, e il sistema di Von Neumann. In particolare vediamo che nel caso n=2 abbiamo un integrale ellittico.

hp-dGFEM for Second-Order Elliptic Problems in Plyhedra I: Stability and Quasioptimality on Geometric Meshes

We introduce and analyze hp-version discontinuous Galerkin (dG) finite element methods for the numerical approximation of linear second-order elliptic boundary-value problems in three-dimensional polyhedral domains. To resolve possible corner-, edge- and corner-edge singularities, we consider hexahedral meshes that are geometrically and anisotropically refined toward the corresponding neighborhoods. Similarly, the local polynomial degrees are increased linearly and possibly anisotropically away from singularities. We design interior penalty hp-dG methods and prove that they are well-defined for problems with singular solutions and stable under the proposed hp-refinements. We establish (abstract) error bounds that will allow us to prove exponential rates of convergence in the second part of this work.

hp-dGFEM for Second-Order Elliptic Problems in Plyhedra II: Exponential Convergence

The goal of this paper is to establish exponential convergence of $hp$-version interior penalty (IP) discontinuous Galerkin (dG) finite element methods for the numerical approximation of linear second-order elliptic boundary-value problems with homogeneous Dirichlet boundary conditions and piecewise analytic data in three-dimensional polyhedral domains. More precisely, we shall analyze the convergence of the $hp$-IP dG methods considered in [D. Schötzau, C. Schwab, T. P. Wihler, SIAM J. Numer. Anal., 51 (2013), pp. 1610--1633] based on axiparallel $\sigma$-geometric anisotropic meshes and $\bm{s}$-linear anisotropic polynomial degree distributions.

Essential spectrum of systems of singular differential equations

In this paper we develop a new method to determine the essential spectrum of coupled systems of singular differential equations. Applications to problems from magnetohydrodynamics and astrophysics are given.