We present a novel method for computing actions of the so-called $\varphi$-functions for a Kronecker sum $K$ of $d$ arbitrary matrices $A_\mu$. It is based on the approximation of the integral representation of the $\varphi$-functions by Gaussian quadrature formulas combined with a scaling and squaring technique. The resulting algorithm, which we call PHIKS, evaluates the required actions by means of $\mu$-mode products involving exponentials of the small sized matrices $A_\mu$, without using the large sized matrix $K$ itself. PHIKS, which profits from the highly efficient level 3 BLAS, is designed to compute different $\varphi$-functions applied on the same vector or a linear combination of actions of $\varphi$-functions applied on different vectors. In addition, due to the underlying scaling and squaring technique, the desired quantities are available simultaneously at suitable time scales. All these features allow the effective usage of PHIKS in the exponential integration context. In particular, we tested our newly designed method on popular exponential Runge-Kutta integrators of stiff order from one to four, in comparison with state-of-the-art algorithms for computing actions of $\varphi$-functions. Our numerical experiments with discretized semilinear evolutionary 2D or 3D advection-diffusion-reaction, Allen-Cahn, and Brusselator equations show the superiority of the $\mu$-mode approach of PHIKS.
翻译:我们提出了一种计算所谓 $ vaphi$ 函数的新型方法,用于计算所谓的 $ vaphe$ 函数的动作,用于计算一个名为 $ 美元 的Kronecker 和 $ 美元 的 任意基质 $ 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 的 任意计算方法。 由此产生的算法,我们称之为 PHIKS, 美元 美元 美元 美元 的计算方法, 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 的计算法 。 此外,由于基本的 缩压和 平价 美元, 美元 美元 美元 美元 的 数字 数字 的计算方法, 我们用 的 美元 基 的 数字 数字 数字 以 的 基 数字 的 数字 数字 数字 的 数字 数字 计算 。