During the last decade, Neural Networks (NNs) have proved to be extremely effective tools in many fields of engineering, including autonomous vehicles, medical diagnosis and search engines, and even in art creation. Indeed, NNs often decisively outperform traditional algorithms. One area that is only recently attracting significant interest is using NNs for designing numerical solvers, particularly for discretized partial differential equations. Several recent papers have considered employing NNs for developing multigrid methods, which are a leading computational tool for solving discretized partial differential equations and other sparse-matrix problems. We extend these new ideas, focusing on so-called relaxation operators (also called smoothers), which are an important component of the multigrid algorithm that has not yet received much attention in this context. We explore an approach for using NNs to learn relaxation parameters for an ensemble of diffusion operators with random coefficients, for Jacobi type smoothers and for 4Color GaussSeidel smoothers. The latter yield exceptionally efficient and easy to parallelize Successive Over Relaxation (SOR) smoothers. Moreover, this work demonstrates that learning relaxation parameters on relatively small grids using a two-grid method and Gelfand's formula as a loss function can be implemented easily. These methods efficiently produce nearly-optimal parameters, thereby significantly improving the convergence rate of multigrid algorithms on large grids.


翻译:在过去十年中,神经网络(NN)被证明是许多工程领域的极有效工具,包括自主车辆、医疗诊断和搜索引擎,甚至艺术创造领域。事实上,NNS往往决定性地优于传统算法。最近才吸引极大兴趣的一个领域是利用NNS设计数字解算器,特别是分解的部分方程式。最近一些论文考虑利用NNS开发多网方法,这是解决分解部分差异方程式和其他稀释矩阵问题的主要计算工具。我们推广这些新想法,重点是所谓的放松操作器(也称为平滑器),这是多网算法的重要组成部分,在此背景下尚未引起多大注意。我们探索了一种方法,即利用NNNNS学习放松参数,以建立带有随机系数的传播操作器组合,为4Color GaussSeidel平滑动器和4Colorgor GoussSeidel平滑动器。后者产生非常高效和容易平行的“成功超宽松”(SOR)光滑动器。此外,这项工作还表明,在相对小的磁网格上学习宽松的宽松度标准,可以大幅改进这些节算方法。

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