Fully implicit Runge-Kutta (IRK) methods have many desirable properties as time integration schemes in terms of accuracy and stability, but are rarely used in practice with numerical PDEs due to the difficulty of solving the stage equations. This paper introduces a theoretical and algorithmic preconditioning framework for solving the systems of equations that arise from IRK methods applied to linear numerical PDEs (without algebraic constraints). This framework also naturally applies to discontinuous Galerkin discretizations in time. Under quite general assumptions on the spatial discretization that yield stable time integration, the preconditioned operator is proven to have conditioning ~O(1), with only weak dependence on number of stages/polynomial order; for example, the preconditioned operator for 10th-order Gauss IRK has condition number less than two, independent of the spatial discretization. The new method can be used with arbitrary existing preconditioners for backward Euler-type time stepping schemes, and is amenable to the use of three-term recursion Krylov methods when the underlying spatial discretization is symmetric. The new method is demonstrated to be effective on various high-order finite-difference and finite-element discretizations of linear parabolic and hyperbolic problems, demonstrating fast, scalable solution of up to 10th order accuracy. The new method consistently outperforms existing block preconditioning approaches, and in several cases, the new method can achieve 4th-order accuracy using Gauss integration with roughly half the number of preconditioner applications and wallclock time as required using standard diagonally implicit RK methods.


翻译:完全隐含的 Runge- Kutta (IRK) 方法具有许多可取的特性,因为时间整合计划在准确性和稳定性方面具有许多可取性,但在数字 PDE 实践中很少使用,原因是难以解决阶段方程式。本文件介绍了一个理论和算法的先决条件框架,以解决因IRK 方法产生的对线性数字 PDE 的方程式系统(没有代数限制)。这个框架还自然适用于不连续的 Galerkin 分流计划。在对空间分解进行稳定时间整合的空间离散假设相当笼统的假设下,前提条件操作者已证明已经对 ~O(1) 进行调节,对阶段/极地平面的定序应用数量的依赖性不强;例如,第十级高端高端高端高端的操作员的定序号小于两个,独立于空间离散式。新的方法可以任意用于落后的 Euler 型时间推进计划,在基本空间分解可调时,可以使用三期递解的 Krylov 方法。 新的方法在各种直径直径直径性定的定和直径定式方法上展示了各种直径直径直径直径直径的定和直径直径解方法。新方法中,在各种直径直径直立的定和直径解方法上展示了。

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