Skip to main content
Erschienen in:

2024 | OriginalPaper | Buchkapitel

Quasi Continuous Level Monte Carlo for Random Elliptic PDEs

verfasst von : Cedric Aaron Beschle, Andrea Barth

Erschienen in: Monte Carlo and Quasi-Monte Carlo Methods

Verlag: Springer International Publishing

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

In diesem Kapitel wird die Quasi Continuous Level Monte Carlo (QCLMC) -Methode zur Schätzung des Mittelwerts einer interessierenden Quantitätsgröße für stochastische Modellierung und Quantifizierung von Unsicherheiten vorgestellt. QCLMC baut auf der mehrstufigen Monte-Carlo-Methode (MLMC) auf, erlaubt aber stichprobenadaptive Maschenhierarchien und verwendet quasi zufällige Stichproben, um die Varianz zu verringern. Das Kapitel bietet einen detaillierten Vergleich der QCLMC mit der MLMC und dem kontinuierlichen Pegel Monte Carlo (CLMC) und hebt die überlegene Leistung der QCLMC bei der Handhabung zufälliger elliptischer PDEs mit diskontinuierlichen Koeffizienten hervor. Numerische Experimente zeigen die Vorteile von QCLMC in Bezug auf die Zeit bis zur Fehlerleistung und zeigen sein Potenzial für praktische Anwendungen in verschiedenen Bereichen.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Ainsworth, M., Oden, J.T.: A posteriori error estimation in finite element analysis. Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 142, 1–88 (1997)MathSciNetCrossRef Ainsworth, M., Oden, J.T.: A posteriori error estimation in finite element analysis. Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 142, 1–88 (1997)MathSciNetCrossRef
2.
Zurück zum Zitat Alnaes, M.S. et al.: The FEniCS project version 1.5. Arch. Numer. Softw. 3 (2015) Alnaes, M.S. et al.: The FEniCS project version 1.5. Arch. Numer. Softw. 3 (2015)
3.
Zurück zum Zitat Babuška, I.: The finite element method for elliptic equations with discontinuous coefficients. Comput. (Arch. Elektron. Rechnen) 5, 207–213 (1970) Babuška, I.: The finite element method for elliptic equations with discontinuous coefficients. Comput. (Arch. Elektron. Rechnen) 5, 207–213 (1970)
4.
Zurück zum Zitat Babuška, I., Rheinboldt, W.C.: A-posteriori error estimates for the finite element method. Int. J. Numer. Meth. Eng. 12, 1597–1615 (1978)CrossRef Babuška, I., Rheinboldt, W.C.: A-posteriori error estimates for the finite element method. Int. J. Numer. Meth. Eng. 12, 1597–1615 (1978)CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Barth, A., Stein, A.: A study of elliptic partial differential equations with jump diffusion coefficients. SIAM/ASA J. Uncertain. Quantif. 6, 1707–1743 (2018)MathSciNetCrossRef Barth, A., Stein, A.: A study of elliptic partial differential equations with jump diffusion coefficients. SIAM/ASA J. Uncertain. Quantif. 6, 1707–1743 (2018)MathSciNetCrossRef
7.
Zurück zum Zitat Beschle, C.A., Barth, A.: Complexity analysis of quasi continuous level Monte Carlo. In: ESAIM: M2AN. Special issue—To commemorate Assyr Abdulle (2024, to appear) Beschle, C.A., Barth, A.: Complexity analysis of quasi continuous level Monte Carlo. In: ESAIM: M2AN. Special issue—To commemorate Assyr Abdulle (2024, to appear)
8.
Zurück zum Zitat Bernardi, C., Verfürth, R.: Adaptive finite element methods for elliptic equations with non-smooth coefficients. Numer. Math. 85, 579–608 (2000)MathSciNetCrossRef Bernardi, C., Verfürth, R.: Adaptive finite element methods for elliptic equations with non-smooth coefficients. Numer. Math. 85, 579–608 (2000)MathSciNetCrossRef
9.
Zurück zum Zitat Brenner, S.C., Scott, L.R.: The mathematical theory of finite element methods, vol. 15, 3rd edn. Texts in Applied Mathematics. Springer, New York (2008) Brenner, S.C., Scott, L.R.: The mathematical theory of finite element methods, vol. 15, 3rd edn. Texts in Applied Mathematics. Springer, New York (2008)
11.
Zurück zum Zitat Clément, P.: Approximation by finite element functions using local regularization. Rev. Française Automat. Informat. Recherche Opérationnelle Sér. 9, 77–84 (1975) Clément, P.: Approximation by finite element functions using local regularization. Rev. Française Automat. Informat. Recherche Opérationnelle Sér. 9, 77–84 (1975)
12.
Zurück zum Zitat Cliffe, K.A., Giles, M.B., Scheichl, R., Teckentrup, A.L.: Multilevel Monte Carlo methods and applications to elliptic PDEs with random coefficients. Comput. Vis. Sci. 14, 3–15 (2011)MathSciNetCrossRef Cliffe, K.A., Giles, M.B., Scheichl, R., Teckentrup, A.L.: Multilevel Monte Carlo methods and applications to elliptic PDEs with random coefficients. Comput. Vis. Sci. 14, 3–15 (2011)MathSciNetCrossRef
13.
Zurück zum Zitat Detommaso, G., Dodwell, T., Scheichl, R.: Continuous level Monte Carlo and sample-adaptive model hierarchies. SIAM/ASA J. Uncertain. Quantif. 7, 93–116 (2019)MathSciNetCrossRef Detommaso, G., Dodwell, T., Scheichl, R.: Continuous level Monte Carlo and sample-adaptive model hierarchies. SIAM/ASA J. Uncertain. Quantif. 7, 93–116 (2019)MathSciNetCrossRef
15.
Zurück zum Zitat Evans, L.C.: Partial differential equations, vol. 19, 2nd edn. Graduate Studies in Mathematics. American Mathematical Society, Providence, RI (2010) Evans, L.C.: Partial differential equations, vol. 19, 2nd edn. Graduate Studies in Mathematics. American Mathematical Society, Providence, RI (2010)
18.
Zurück zum Zitat Graham, I.G., Kuo, F.Y., Nuyens, D., Scheichl, R., Sloan, I.H.: Quasi-Monte Carlo methods for elliptic PDEs with random coefficients and applications. J. Comput. Phys. 230, 3668–3694 (2011)MathSciNetCrossRef Graham, I.G., Kuo, F.Y., Nuyens, D., Scheichl, R., Sloan, I.H.: Quasi-Monte Carlo methods for elliptic PDEs with random coefficients and applications. J. Comput. Phys. 230, 3668–3694 (2011)MathSciNetCrossRef
19.
Zurück zum Zitat Graham, I.G., et al.: Quasi-Monte Carlo finite element methods for elliptic PDEs with lognormal random coefficients. Numer. Math. 131, 329–368 (2015)MathSciNetCrossRef Graham, I.G., et al.: Quasi-Monte Carlo finite element methods for elliptic PDEs with lognormal random coefficients. Numer. Math. 131, 329–368 (2015)MathSciNetCrossRef
20.
Zurück zum Zitat Grätsch, T., Bathe, K.-J.: A posteriori error estimation techniques in practical finite element analysis. Comput. Struct. 83, 235–265 (2005)MathSciNetCrossRef Grätsch, T., Bathe, K.-J.: A posteriori error estimation techniques in practical finite element analysis. Comput. Struct. 83, 235–265 (2005)MathSciNetCrossRef
21.
Zurück zum Zitat Hackbusch, W.: Elliptic differential equations, vol. 18, 2nd edn. Springer Series in Computational Mathematics. Springer, Berlin (2017). Theory and numerical treatment Hackbusch, W.: Elliptic differential equations, vol. 18, 2nd edn. Springer Series in Computational Mathematics. Springer, Berlin (2017). Theory and numerical treatment
23.
Zurück zum Zitat Harris, C.R., et al.: Array programming with NumPy. Nature 585, 357–362 (2020)CrossRef Harris, C.R., et al.: Array programming with NumPy. Nature 585, 357–362 (2020)CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Knabner, P., Angermann, L.: Numerical methods for elliptic and parabolic partial differential equations, vol. 44. Texts in Applied Mathematics. Springer, New York (2003) Knabner, P., Angermann, L.: Numerical methods for elliptic and parabolic partial differential equations, vol. 44. Texts in Applied Mathematics. Springer, New York (2003)
25.
Zurück zum Zitat Kuo, F.Y., Schwab, C., Sloan, I.H.: Quasi-Monte Carlo finite element methods for a class of elliptic partial differential equations with random coefficients. SIAM J. Numer. Anal. 50, 3351–3374 (2012)MathSciNetCrossRef Kuo, F.Y., Schwab, C., Sloan, I.H.: Quasi-Monte Carlo finite element methods for a class of elliptic partial differential equations with random coefficients. SIAM J. Numer. Anal. 50, 3351–3374 (2012)MathSciNetCrossRef
26.
Zurück zum Zitat Kuo, F.Y., Schwab, C., Sloan, I.H.: Multi-level quasi-Monte Carlo finite element methods for a class of elliptic PDEs with random coefficients. Found. Comput. Math. 15, 411–449 (2015)MathSciNetCrossRef Kuo, F.Y., Schwab, C., Sloan, I.H.: Multi-level quasi-Monte Carlo finite element methods for a class of elliptic PDEs with random coefficients. Found. Comput. Math. 15, 411–449 (2015)MathSciNetCrossRef
28.
Zurück zum Zitat Niederreiter, H.: Quasi-Monte Carlo methods and pseudo-random numbers. Bull. Am. Math. Soc. 84, 957–1041 (1978)MathSciNetCrossRef Niederreiter, H.: Quasi-Monte Carlo methods and pseudo-random numbers. Bull. Am. Math. Soc. 84, 957–1041 (1978)MathSciNetCrossRef
29.
Zurück zum Zitat Niederreiter, H.: Random number generation and quasi-Monte Carlo methods, vol. 63. CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics. Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM), Philadelphia, PA (1992) Niederreiter, H.: Random number generation and quasi-Monte Carlo methods, vol. 63. CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics. Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM), Philadelphia, PA (1992)
30.
Zurück zum Zitat Owen, A.B.: Randomly permuted \((t,m,s)\)-nets and \((t,s)\)-sequences. In: Monte Carlo and Quasi-Monte Carlo Methods in Scientific Computing. Las Vegas, NV (1994). Lecture Notes in Statistics, vol. 106, pp. 299–317. Springer, New York (1995) Owen, A.B.: Randomly permuted \((t,m,s)\)-nets and \((t,s)\)-sequences. In: Monte Carlo and Quasi-Monte Carlo Methods in Scientific Computing. Las Vegas, NV (1994). Lecture Notes in Statistics, vol. 106, pp. 299–317. Springer, New York (1995)
32.
Zurück zum Zitat Petzoldt, M.: Regularity results for Laplace interface problems in two dimensions. Z. Anal. Anwendungen 20, 431–455 (2001)MathSciNetCrossRef Petzoldt, M.: Regularity results for Laplace interface problems in two dimensions. Z. Anal. Anwendungen 20, 431–455 (2001)MathSciNetCrossRef
33.
Zurück zum Zitat Petzoldt, M.: A posteriori error estimators for elliptic equations with discontinuous coefficients. Adv. Comput. Math. 16, 47–75 (2002)MathSciNetCrossRef Petzoldt, M.: A posteriori error estimators for elliptic equations with discontinuous coefficients. Adv. Comput. Math. 16, 47–75 (2002)MathSciNetCrossRef
35.
Zurück zum Zitat Sobol, I.M.: Distribution of points in a cube and approximate evaluation of integrals. Ž. Vyčisl. Mat i Mat. Fiz. 7, 784–802 (1967)MathSciNet Sobol, I.M.: Distribution of points in a cube and approximate evaluation of integrals. Ž. Vyčisl. Mat i Mat. Fiz. 7, 784–802 (1967)MathSciNet
36.
Zurück zum Zitat Teckentrup, A.L., Scheichl, R., Giles, M.B., Ullmann, E.: Further analysis of multilevel Monte Carlo methods for elliptic PDEs with random coefficients. Numer. Math. 125, 569–600 (2013)MathSciNetCrossRef Teckentrup, A.L., Scheichl, R., Giles, M.B., Ullmann, E.: Further analysis of multilevel Monte Carlo methods for elliptic PDEs with random coefficients. Numer. Math. 125, 569–600 (2013)MathSciNetCrossRef
38.
Zurück zum Zitat Virtanen, P., et al.: SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in python. Nat. Methods 17, 261–272 (2020) Virtanen, P., et al.: SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in python. Nat. Methods 17, 261–272 (2020)
Metadaten
Titel
Quasi Continuous Level Monte Carlo for Random Elliptic PDEs
verfasst von
Cedric Aaron Beschle
Andrea Barth
Copyright-Jahr
2024
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-031-59762-6_1