The numerical solution of dynamical systems with memory requires the efficient evaluation of Volterra integral operators in an evolutionary manner. After appropriate discretisation, the basic problem can be represented as a matrix-vector product with a lower diagonal but densely populated matrix. For typical applications, like fractional diffusion or large scale dynamical systems with delay, the memory cost for storing the matrix approximations and complete history of the data then would become prohibitive for an accurate numerical approximation. For Volterra-integral operators of convolution type, the \emph{fast and oblivious convolution quadrature} method of Sch\"adle, Lopez-Fernandez, and Lubich allows compute the discretized valuation with $N$ time steps in $O(N \log N)$ complexity and only requiring $O(\log N)$ active memory to store a compressed version of the complete history of the data. We will show that this algorithm can be interpreted as an $\mathcal{H}$-matrix approximation of the underlying integral operator and, consequently, a further improvement can be achieved, in principle, by resorting to $\mathcal{H}^2$-matrix compression techniques. We formulate a variant of the $\mathcal{H}^2$-matrix vector product for discretized Volterra integral operators that can be performed in an evolutionary and oblivious manner and requires only $O(N)$ operations and $O(\log N)$ active memory. In addition to the acceleration, more general asymptotically smooth kernels can be treated and the algorithm does not require a-priori knowledge of the number of time steps. The efficiency of the proposed method is demonstrated by application to some typical test problems.


翻译:具有记忆的动态系统的数字解决方案要求以进化方式对Volterra 集成操作员进行高效的评估。 在适当的分解后, 基本问题可以作为矩阵- 矢量产品来表示, 带有较低的对角值但人口稠密的矩阵矩阵。 对于典型的应用, 比如分数扩散或大规模动态系统, 延迟的延迟, 存储矩阵近似和完整数据历史的存储存储存储存储存储存储存储器的存储成本将变得无法准确的数值缩略。 对于 Volterra- 整体类型的操作员, 包括Sch\ “ daldle” 、 Lopez- Fernandez 和 Lubich 的方法, 可以将离散的估值用$( N\ log N) 或 大型动态系统进行计算。 对于数据完整历史的压缩版本, 我们将会表明, 对于复合操作员类型( markal- lix) 只能被基本操作员( mortrial) 处理 $( $_ h} 平流化操作器的运行程序, 需要以硬度操作方式进行一个硬化的硬度操作。

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