Inverse source problems arise often in real-world applications, such as localizing unknown groundwater contaminant sources. Being different from Tikhonov regularization, the quasi-boundary value method has been proposed and analyzed as an effective way for regularizing such inverse source problems, which was shown to achieve an optimal order convergence rate under suitable assumptions. However, fast direct or iterative solvers for the resulting all-at-once large-scale linear systems have been rarely studied in the literature. In this work, we first proposed and analyzed a modified quasi-boundary value method, and then developed a diagonalization-based parallel-in-time (PinT) direct solver, which can achieve a dramatic speedup in CPU times when compared with MATLAB's sparse direct solver. In particular, the time-discretization matrix $B$ is shown to be diagonalizable, and the condition number of its eigenvector matrix $V$ is proven to exhibit quadratic growth, which guarantees the roundoff errors due to diagonalization is well controlled. Several 1D and 2D examples are presented to demonstrate the very promising computational efficiency of our proposed method, where the CPU times in 2D cases can be speedup by three orders of magnitude.


翻译:与Tikhonov的正规化不同,已提出并分析准边界价值法,作为使这种反源问题正规化的有效方法,这证明在适当的假设下实现了最佳的顺序趋同率;然而,文献中很少研究导致的大规模线性系统的所有大规模线性系统的快速直接或迭代解决办法;在这项工作中,我们首先提出并分析了经过修改的准边界值方法,然后开发了基于二分化的平行时间(Pint)直接解决器,与MATLAB的稀薄直接解决器相比,可以在CPU时间实现急剧加速。特别是,时间分解矩阵 $B$美元被证明是可分解的,其密封基因矩阵 $V$ 的条件号被证明具有四分化性增长,保证了由于分解化而产生的圆形错误得到很好的控制。 几个1D和2D例子显示CUUPA的快速度,在CUPO2中展示了我们提议的计算速度。

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