Context. Numerical solutions to transfer problems of polarized radiation in solar and stellar atmospheres commonly rely on stationary iterative methods, which often perform poorly when applied to large problems. In recent times, stationary iterative methods have been replaced by state-of-the-art preconditioned Krylov iterative methods for many applications. However, a general description and a convergence analysis of Krylov methods in the polarized radiative transfer context are still lacking. Aims. We describe the practical application of preconditioned Krylov methods to linear transfer problems of polarized radiation, possibly in a matrix-free context. The main aim is to clarify the advantages and drawbacks of various Krylov accelerators with respect to stationary iterative methods. Methods. We report the convergence rate and the run time of various Krylov-accelerated techniques combined with different formal solvers when applied to a 1D benchmark transfer problem of polarized radiation. In particular, we analyze the GMRES, BICGSTAB, and CGS Krylov methods, preconditioned with Jacobi, or (S)SOR. Results. Krylov methods accelerate the convergence, reduce the run time, and improve the robustness of standard stationary iterative methods. Jacobi-preconditioned Krylov methods outperform SOR-preconditioned stationary iterations in all respects. In particular, the Jacobi-GMRES method offers the best overall performance for the problem setting in use. Conclusions. Krylov methods can be more challenging to implement than stationary iterative methods. However, an algebraic formulation of the radiative transfer problem allows one to apply and study Krylov acceleration strategies with little effort. Furthermore, many available numerical libraries implement matrix-free Krylov routines, enabling an almost effortless transition to Krylov methods.


翻译:在太阳和恒星大气中转移极化辐射问题的数值解决方案通常依赖于固定的迭代方法,这些方法在应用大型问题时往往表现不佳。最近,固定的迭代方法被许多应用中最先进的、具有先决条件的Krylov迭代方法所取代。然而,对于极化辐射转移背景下的Krylov方法,仍然缺乏对Krylov方法的一般性描述和趋同分析。目的。我们描述了对极化辐射的线性转移问题实际应用的前提性Krylov方法,这有可能是在没有矩阵的情况下。主要目的是澄清各种Krylov加速速度方法的优点和缺陷。最近,我们报告了各种Krylov-ceration方法的趋同率和运行时间,同时对极化辐射1D基准转移问题应用了不同的正式解析方法。我们用GMRES、BICGSTAB和CGS Krylov方法, 与 Jacodibi 或SOOR研究的前提性研究方法,使Krylovlovlov-ral-rate方法在一种最稳的变现的变现方法上加速。

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