Алговики - Вклад [ru]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-12-28T20:27:25Z

Vika3410: /* Масштабируемость алгоритма и его реализации */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура алгоритма.
[[File:Сергеев 5.jpg|thumb|center|left|1000px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Данная структура алгоритма позволяет выполнять рекурсивный вызов функций для двух подматриц исходной матрицы как последовательно, так и параллельно.
При последовательной реализации алгоритма вызов функций производится по очереди - сначала для одной подматрицы, затем для другой. При параллельной реализации алгоритма данные функции могут отрабатывать одновременно.
Поскольку функции являются рекурсивными, их параллельный вызов даст значительный выигрыш во времени.
При размерности матрицы больше 3 параллельная реализация позволяет сократить количество этапов работы алгоритма больше, чем в два раза.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

'''Последовательная сложность данного алгоритма:''' <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

'''Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции):''' <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>.

'''Особенности алгоритма:'''

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
Тестирование реализации алгоритма проводилось на суперкомпьютере "Ломоносов" с использованием 1, 2, 4 и 8 процессоров на матрицах размера от 4 до 4096. Реализация произведена на библиотеке OpenMP.

Общая эффективность программы увеличивается при увеличении числа процессоров (за счет сокращения времени работы программы) и уменьшается при увеличении размера матрицы (за счет увеличения времени обработки входных данных). При одновременном увеличении числа процессоров и размерности матрицы общая эффективность падает.

Ниже приведена схема зависимости времени работы программы от размера матрицы при разном числе процессоров. При размере матрицы от 4 до 1024 время работы очень мало, поэтому эти данные не указаны на схеме.

Параметры компиляции и запуска:

ssh compiler
module add slurm
module add openmpi/1.5.5-icc
g++ _scratch/test.c++ -fopenmp -std=c++0x -o test
sbatch -p test -n1 run ./test

Код реализации: https://drive.google.com/open?id=0B0G2UV7cuLwHQk9xd1lyeDNJOXc

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-12-28T20:26:56Z

Vika3410: /* Масштабируемость алгоритма и его реализации */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура алгоритма.
[[File:Сергеев 5.jpg|thumb|center|left|1000px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Данная структура алгоритма позволяет выполнять рекурсивный вызов функций для двух подматриц исходной матрицы как последовательно, так и параллельно.
При последовательной реализации алгоритма вызов функций производится по очереди - сначала для одной подматрицы, затем для другой. При параллельной реализации алгоритма данные функции могут отрабатывать одновременно.
Поскольку функции являются рекурсивными, их параллельный вызов даст значительный выигрыш во времени.
При размерности матрицы больше 3 параллельная реализация позволяет сократить количество этапов работы алгоритма больше, чем в два раза.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

'''Последовательная сложность данного алгоритма:''' <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

'''Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции):''' <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>.

'''Особенности алгоритма:'''

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
Тестирование реализации алгоритма проводилось на суперкомпьютере "Ломоносов" с использованием 1, 2, 4 и 8 процессоров на матрицах размера от 4 до 4096. Реализация произведена на библиотеке OpenMP.

Масштабируемость реализации: общая эффективность программы увеличивается при увеличении числа процессоров (за счет сокращения времени работы программы) и уменьшается при увеличении размера матрицы (за счет увеличения времени обработки входных данных). При одновременном увеличении числа процессоров и размерности матрицы общая эффективность падает.

Ниже приведена схема зависимости времени работы программы от размера матрицы при разном числе процессоров. При размере матрицы от 4 до 1024 время работы очень мало, поэтому эти данные не указаны на схеме.

Параметры компиляции и запуска:

ssh compiler
module add slurm
module add openmpi/1.5.5-icc
g++ _scratch/test.c++ -fopenmp -std=c++0x -o test
sbatch -p test -n1 run ./test

Код реализации: https://drive.google.com/open?id=0B0G2UV7cuLwHQk9xd1lyeDNJOXc

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-02T21:12:15Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура алгоритма.
[[File:Сергеев 5.jpg|thumb|center|left|1000px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Данная структура алгоритма позволяет выполнять рекурсивный вызов функций для двух подматриц исходной матрицы как последовательно, так и параллельно.
При последовательной реализации алгоритма вызов функций производится по очереди - сначала для одной подматрицы, затем для другой. При параллельной реализации алгоритма данные функции могут отрабатывать одновременно.
Поскольку функции являются рекурсивными, их параллельный вызов даст значительный выигрыш во времени.
При размерности матрицы больше 3 параллельная реализация позволяет сократить количество этапов работы алгоритма больше, чем в два раза.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

'''Последовательная сложность данного алгоритма:''' <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

'''Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции):''' <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>.

'''Особенности алгоритма:'''

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-02T21:05:31Z

Vika3410: /* Информационный граф */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура алгоритма.
[[File:Сергеев 5.jpg|thumb|center|left|1500px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Данная структура алгоритма позволяет выполнять рекурсивный вызов функций для двух подматриц исходной матрицы как последовательно, так и параллельно.
При последовательной реализации алгоритма вызов функций производится по очереди - сначала для одной подматрицы, затем для другой. При параллельной реализации алгоритма данные функции могут отрабатывать одновременно.
Поскольку функции являются рекурсивными, их параллельный вызов даст значительный выигрыш во времени.
При размерности матрицы больше 3 параллельная реализация позволяет сократить количество этапов работы алгоритма больше, чем в два раза.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

'''Последовательная сложность данного алгоритма:''' <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

'''Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции):''' <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>.

'''Особенности алгоритма:'''

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-02T20:56:54Z

Vika3410: /* Ресурс параллелизма алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 5.jpg|thumb|center|left|1500px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Данная структура алгоритма позволяет выполнять рекурсивный вызов функций для двух подматриц исходной матрицы как последовательно, так и параллельно.
При последовательной реализации алгоритма вызов функций производится по очереди - сначала для одной подматрицы, затем для другой. При параллельной реализации алгоритма данные функции могут отрабатывать одновременно.
Поскольку функции являются рекурсивными, их параллельный вызов даст значительный выигрыш во времени.
При размерности матрицы больше 3 параллельная реализация позволяет сократить количество этапов работы алгоритма больше, чем в два раза.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

'''Последовательная сложность данного алгоритма:''' <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

'''Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции):''' <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>.

'''Особенности алгоритма:'''

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-02T20:10:12Z

Vika3410: /* Свойства алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

'''Последовательная сложность данного алгоритма:''' <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

'''Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции):''' <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>.

'''Особенности алгоритма:'''

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-02T20:07:39Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = <math> 2n - 1 </math>
| output_data = <math> n + n^2 </math>
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

Последовательная сложность данного алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-02T20:06:12Z

Vika3410: /* Входные и выходные данные алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = матрица собственных значений и матрица собственных векторов исходной матрицы
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - является наиболее быстрым из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, который примерно равен 26. (Точное значение этого порогового порядка в конкретном случае зависит от компьютера.)

Численно устойчивая реализация данного метода весьма не тривиальна, так как не смотря на то, что впервые метод был предложен в 1981 г., "правильный" способ реализации метода был найден лишь в 1992 г. Этот способ был воплощен при помощи LAPACK-программ ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В этих программах стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка выше 25.

Для матриц порядка ниже 25 (или в тех случаях, когда требуются только собственные значения) автоматически происходит переход к методу QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

В предположении, что известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. На самом деле, они будут вычисляться рекурсивно тем же самым алгоритмом.

Можно установить связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Получается:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет такие же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
В дальнейшем предполагаем, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по не возрастанию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Для того, чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, потребуется вычислить её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда получаем
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Так как <math>D - \lambda I</math> невырожденная, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - является собственным значением. Можем заметить, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной путём добавления матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы не сложно вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Следовательно, получаем
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> являются корнями так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны между собой и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа, который показан на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

По рисунку можно заметить, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для данного графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Так как <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Из этого следует, что корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень будет находиться слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, которая является монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который будет быстро и монотонно сходиться к каждому из корней, при условии, что начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать тот факт, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за строго ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math> флопов, следовательно для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.
<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] =

(D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u =

u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>

<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>,

поскольку

<math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>.

Что и требовалось доказать.

Получается, что для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов потребуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, данная формула не обеспечивает нам численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Учёным потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Подробнее детали будут обсуждаться ниже в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это будет не так, то вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а следовательно <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: в случае, если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о '''дефляции'''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, в том случает, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, следовательно при формировании матрицы <math>Q</math> применяя левое умножение <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не будет требовать никаких затрат. Аналогичное упрощение возможно в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, которая связана с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения будет являться вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов при помощи умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math>. Эта операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём будет говориться ниже, в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .

Данной операции предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>.

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

Далее пойдет речь о решении '''векового уравнения''', которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Рассмотрим каким именно образом происходит вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы при помощи стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

В случае, '''если''' <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе''':

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Рассмотрим сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов, которое потребуется при обработке матрицы размера <math> n *
n</math> процедурой ''dc_eig''. В таком случае

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматривать как плотные матрицы и использовать стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке будет равна 1. Следовательно, именно это умножение и будет составлять наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решив это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно оказывается гораздо меньше 1, так как матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, которое называется дефляцией, и которое было описано выше.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
'''Входные данные''': трёхдиагональная симметрическая матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]].

'''Объём входных данных''': <math> 2n - 1 </math> (в силу симметричности достаточно хранить только диагональ и над/поддиагональные элементы).

'''Выходные данные''': матрица собственных значений размера <math> 1 * n </math> и матрица собственных векторов размера <math> n * n </math>

'''Объём выходных данных''': <math> n + n^2 </math>

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация.

Последовательная сложность данного алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-01T20:26:50Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = матрица собственных значений и матрица собственных векторов исходной матрицы
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входным параметром алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными параметрами алгоритма являются матрица собственных значений и матрица собственных векторов исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-01T20:25:58Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.2, 1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входным параметром алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными параметрами алгоритма являются матрица собственных значений и матрица собственных векторов исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-11-01T20:23:45Z

Vika3410: /* Входные и выходные данные алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614) (1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.9, 1.10), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614) (1.3, 1.4, 1.6, 1.7, 1.8, 1.10)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 3 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 4 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входным параметром алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными параметрами алгоритма являются матрица собственных значений и матрица собственных векторов исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:47:16Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= Свойства и структура алгоритма =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:46:34Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:44:23Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод "Разделяй и властвуй" вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:43:47Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

крайне редко: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:43:20Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3}) </math>

в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:28:38Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel_complexity = <math> O(n^{2.3})</math>
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:24:02Z

Vika3410:

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| parallel complexity = <math> O(n^{2.3})</math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:16:51Z

Vika3410: /* Ресурс параллелизма алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:15:39Z

Vika3410: /* Ресурс параллелизма алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
На информационном графе алгоритма имеются два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, сводящаяся к параллелизму. При реализации алгоритма без параллелизма функции ''dc_eig'' должны отрабатывать последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:13:31Z

Vika3410: /* Входные и выходные данные алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
Входными данными алгоритма является трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

Выходными данными алгоритма являются собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:11:14Z

Vika3410: /* Макроструктура алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
В данном разделе пойдет речь о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:07:49Z

Vika3410: /* Решение векового уравнения */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== ''Решение векового уравнения'' ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:07:04Z

Vika3410: /* Математическое описание алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда
<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

''Лемма 1.'' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,
<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

''Лемма 2.'' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== ''Дефляция'' ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:04:27Z

Vika3410: /* Решение векового уравнения */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T20:03:37Z

Vika3410: /* Решение векового уравнения */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>
для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что
<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция
<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (*)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (*) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>.

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция
<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math> удовлетворяла условиям
<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math>

Наконец, полагаем
<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} \equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:54:00Z

Vika3410: /* Схема реализации последовательного алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй":

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math> :

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

Иначе:

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

''endif''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:50:48Z

Vika3410: /* Последовательная сложность алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x
n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>
<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:46:49Z

Vika3410: /* Информационный граф */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
На рисунке 2 изображена структура всего алгоритма, на рисунке 3 подробно описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:45:04Z

Vika3410: /* Существующие реализации алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" ] ([3] с. 7, 19-20).

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:43:04Z

Vika3410: /* Свойства алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Данный алгоритм является самым быстрым алгоритмом среди существующих: Разделяй и властвуй, QR, Бисекция и обратная итерация
Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (за счет дефляции): <math> O(n^{2.3})</math>; в крайне редких случаях: <math> O(n^{2}) </math> ( [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Дефляция ([[#Дефляция]])

2. Адаптированный метод Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" (с. 7, 19-20) ].

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:36:43Z

Vika3410: /* Существующие реализации алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures" (с. 7, 19-20) ].

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:35:49Z

Vika3410: /* Литература */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures (страницы 7, 19-20) ].

= Литература =
[1] Дж. Деммель, "Вычислительная линейная алгебра"

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, "Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures"]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-18T19:33:06Z

Vika3410: /* Существующие реализации алгоритма */

Авторы статьи: [[Участник:NikoSergAlex|Сергеев Никита]] (группа 614), [[Участница:Vika3410|Стрельцова Виктория]] (группа 614)
{{algorithm
| name = Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы
| serial_complexity = <math> c\frac{4}{3}n^{3} </math>
| pf_height =
| pf_width =
| input_data = трёхдиагональная матрица
| output_data = собственные значения и собственные вектора исходной матрицы
}}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, видно, что в структуре имеется два параллельных блока - блок вызова рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и для векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой можно прибегнуть к параллелизму. Если реализовать алгоритм без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Единственный найденный пример реализации описан в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures (страницы 7, 19-20) ].

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-16T16:51:17Z

Vika3410:

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, можно заметить, что в структуре имеется два параллельных блока - вызов рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой мы прибегаем к параллелизму. В случае реализации без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3)}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Большого количества реализаций данного алгоритма найдено не было: единственный пример описан на страницах 7, 19 и 20 в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf этой статье], которая указана в списке литературы.

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/104_1999_a-parallel-divide-and-conquer-algorithm.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, A Parallel Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[4] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[5] [http://www.cscamm.umd.edu/tadmor/pub/linear-stability/Gill_Tadmor_SISC90.pdf Doron Grill and Eitan Tadmor AN <math>O(N2)</math> METHOD FOR COMPUTING THE EIGENSYSTEM OF <math>N</math>x<math>N</math> SYMMETRIC TRIDIAGONAL MATRICES BY THE DIVIDE AND CONQUER APPROACH]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-16T12:48:58Z

Vika3410:

\usepackage{amsmath}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math> - матрица, в первой строке которой находятся элементы последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math>, а во второй - элементы первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>, так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>.
Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.
Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, можно заметить, что в структуре имеется два параллельных блока - вызов рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой мы прибегаем к параллелизму. В случае реализации без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3)}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Большого количества реализаций данного алгоритма найдено не было: единственный пример описан на страницах 7, 19 и 20 в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf этой статье], которая указана в списке литературы.

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/104_1999_a-parallel-divide-and-conquer-algorithm.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, A Parallel Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[4] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[5] [http://www.cscamm.umd.edu/tadmor/pub/linear-stability/Gill_Tadmor_SISC90.pdf Doron Grill and Eitan Tadmor AN <math>O(N2)</math> METHOD FOR COMPUTING THE EIGENSYSTEM OF <math>N</math>x<math>N</math> SYMMETRIC TRIDIAGONAL MATRICES BY THE DIVIDE AND CONQUER APPROACH]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-16T12:43:49Z

Vika3410:

\usepackage{amsmath}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов вычисления всех собственных значений и собственных векторов трехдиагональной матрицы, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math>,

так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>, получим матрицу, состоящую из последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math> и первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>.

Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.

Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, можно заметить, что в структуре имеется два параллельных блока - вызов рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой мы прибегаем к параллелизму. В случае реализации без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3)}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Большого количества реализаций данного алгоритма найдено не было: единственный пример описан на страницах 7, 19 и 20 в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf этой статье], которая указана в списке литературы.

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/104_1999_a-parallel-divide-and-conquer-algorithm.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, A Parallel Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[4] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[5] [http://www.cscamm.umd.edu/tadmor/pub/linear-stability/Gill_Tadmor_SISC90.pdf Doron Grill and Eitan Tadmor AN <math>O(N2)</math> METHOD FOR COMPUTING THE EIGENSYSTEM OF <math>N</math>x<math>N</math> SYMMETRIC TRIDIAGONAL MATRICES BY THE DIVIDE AND CONQUER APPROACH]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-16T12:41:13Z

Vika3410:

\usepackage{amsmath}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов, если нужны все собственные значения и собственные векторы трехдиагональной матриц, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&&&& \\
&&&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>:
<math>T_{i}=Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом.

Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math>,

так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>, получим матрицу, состоящую из последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math> и первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>.

Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.

Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, можно заметить, что в структуре имеется два параллельных блока - вызов рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой мы прибегаем к параллелизму. В случае реализации без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3)}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Большого количества реализаций данного алгоритма найдено не было: единственный пример описан на страницах 7, 19 и 20 в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf этой статье], которая указана в списке литературы.

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/104_1999_a-parallel-divide-and-conquer-algorithm.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, A Parallel Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[4] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[5] [http://www.cscamm.umd.edu/tadmor/pub/linear-stability/Gill_Tadmor_SISC90.pdf Doron Grill and Eitan Tadmor AN <math>O(N2)</math> METHOD FOR COMPUTING THE EIGENSYSTEM OF <math>N</math>x<math>N</math> SYMMETRIC TRIDIAGONAL MATRICES BY THE DIVIDE AND CONQUER APPROACH]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-16T12:33:20Z

Vika3410:

\usepackage{amsmath}

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов, если нужны все собственные значения и собственные векторы трехдиагональной матриц, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&& \\
&&b_{m} & b_{m} \\
&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math> T_{2} </math>:
<math> T_{i} = Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом. Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где <math> u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v </math>,

так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>, получим матрицу, состоящую из последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math> и первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>.

Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.

Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u = u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]= </math>
<math> = u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u = \alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>. Что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, можно заметить, что в структуре имеется два параллельных блока - вызов рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой мы прибегаем к параллелизму. В случае реализации без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3)}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Большого количества реализаций данного алгоритма найдено не было: единственный пример описан на страницах 7, 19 и 20 в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf этой статье], которая указана в списке литературы.

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/104_1999_a-parallel-divide-and-conquer-algorithm.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, A Parallel Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[4] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[5] [http://www.cscamm.umd.edu/tadmor/pub/linear-stability/Gill_Tadmor_SISC90.pdf Doron Grill and Eitan Tadmor AN <math>O(N2)</math> METHOD FOR COMPUTING THE EIGENSYSTEM OF <math>N</math>x<math>N</math> SYMMETRIC TRIDIAGONAL MATRICES BY THE DIVIDE AND CONQUER APPROACH]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]

Участник:Vika3410/Метод Разделяй и властвуй

2016-10-16T11:54:53Z

Vika3410:

= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов =

== Общее описание алгоритма ==
'''Метод разделяй и властвуй вычисления собственных значений и векторов трёхдиагональной матрицы''' - это наиболее быстрый из существующих методов, если нужны все собственные значения и собственные векторы трехдиагональной матриц, начиная с порядка n, примерно равного 26. (Точное значение этого порогового порядка зависит от компьютера.) Его численно устойчивая реализация весьма не тривиальна. В самом деле, хотя впервые метод был предложен еще в 1981 г., "правильный" способ его реализации был найден лишь в 1992 г. Этот способ воплощен LAPACK-программами ssyevd (для плотных матриц) и sstevd (для трехдиагональных матриц). В них стратегия "разделяй-и-влавствуй" используется для матриц порядка, большего чем 25. Для матриц меньшего порядка (или если нужны только собственные значения) происходит автоматический переход к QR-итерации.

== Математическое описание алгоритма ==
Пусть

:<math>
L = \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1}&&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} & b_{m} \\
&&& b_{m} & a_{m+1} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix}
= \begin{bmatrix}
a_{1} & b_{1} &&&&& \\
b_{1} & \ddots & \ddots \\
& \ddots & a_{m-1} & b_{m-1} \\
&& b_{m-1} & a_{m} - b_{m} \\
&&&& a_{m+1} - b_{m} & b_{m+1} \\
&&&& b_{m+1} & \ddots \\
&&&&&& \ddots & b_{n-1} \\
&&&&&& b_{n-1} & a_{n} \\
\end{bmatrix} +
</math>

<math>
+ \begin{bmatrix}
&&&&& \\
&&b_{m} & b_{m} \\
&&b_{m} & b_{m} \\
&&&&& \\
\end{bmatrix}

= \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m} * \begin{bmatrix} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}

\equiv \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
</math>

Предположим, что нам известны спектральные разложения матриц <math>T_{1}</math> и <math> T_{2} </math>:
<math> T_{i} = Q_{i} \Lambda_{i} Q_{i}^{T} </math>. В действительности, они будут рекурсивно вычисляться тем же самым алгоритмом. Установим связь между собственными значениями матрицы Т и собственными значениями матриц
<math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math>. Имеем:

<math>
T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} \Lambda_{1} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2} L_{2} Q_{2}^{T}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T}
= \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}(\begin{bmatrix} \Lambda_{1} & \\ & \Lambda_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T})\begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}
</math>,

где

<math>
u = \begin{bmatrix} Q_{1}^{T} & 0 \\ 0 & Q_{2}^{T}\end{bmatrix}v
</math>

так как <math>v = \begin{bmatrix} 0 , \ldots , 0 , 1 , 1 , 0 \ldots , 0 \end{bmatrix}^T</math>, получим матрицу, состоящую из последнего столбца матрицы <math> Q_{1}^{T}</math> и первого столбца матрицы <math> Q_{2}^{T}</math>.

Следовательно, <math>T</math> имеет те же собственные значения, что и подобная ей матрица <math>D + \rho uu^{T}</math>,
где <math>D = \begin{bmatrix} L_{1} & 0 \\ 0 & L_{2}\end{bmatrix}</math> - диагональная матрица,
<math>\rho = b_{m}</math> - число, а <math>u</math> - вектор.

Будем предполагать, не ограничивая общности, что диагональные элементы <math>d_{1}, \ldots, d_{n}</math> матрицы <math>D</math> упорядочены по убыванию: <math>d_{n} <= \ldots <=d_{1}</math>.

Чтобы найти собственные значения матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, вычислим её характеристический многочлен, считая пока матрицу <math>D - \lambda I</math> невырожденной.
Тогда

<math>det(D + \rho uu^{T} - \lambda I) = det((D - \lambda I)(I + \rho (D- \lambda I)^{-1} uu^{T}))</math>.

Поскольку <math>D - \lambda I</math> невырожденна, <math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 0</math> тогда и только тогда, когда <math>\lambda</math> - собственное значение. Заметим, что матрица <math>I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}</math> получается из единичной добавлением матрицы ранга 1. Определитель такой матрицы легко вычислить.

'''Лемма 1.''' Справедливо равенство <math>det(I + xy^{T}) = 1 + y^{T}x</math>, где <math>x</math> и <math>y</math> - векторы.

Таким образом,

<math>det(I + \rho (D - \lambda I)^{-1}uu^{T}) = 1 + \rho u^{T}(D - \lambda I)^{-1}u</math> <math> = 1 + \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {d_{i}-\lambda} \equiv f(\lambda)</math> ,

т.е. собственные значения матрицы <math>T</math> есть корни так называемого векового уравнения <math>f(\lambda) = 0</math>. Если все числа <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i} <> 0</math> (случай общего положения), то <math>f(\lambda)</math> имеет график типа показанного на рис.1(где <math>n = 4</math> и <math>\rho > 0</math>).

[[File:Сергеев 1.jpg|thumb|center|800px|Рис. 1. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{0.5}{1 - \lambda} + \frac{0.5}{2 - \lambda} + \frac{0.5}{3 - \lambda} + \frac{0.5}{4 - \lambda}</math>]]

Можно видеть, что прямая <math>y = 1</math> является горизонтальной асимптотой для этого графика, а прямые <math>\lambda = d_{i}</math> есть вертикальные асимптоты. Поскольку <math>f^{'}(\lambda) = \rho \sum_{i=1, n} \frac{u_{i}^{2}} {(d_{i}-\lambda)^{2}}> 0 </math>, функция возрастает всюду, кроме точек <math>\lambda = d_{i}</math>. Поэтому корни функции разделяются числами <math>d_{i}</math> и ещё один корень находится справа от точки <math>d_{1}</math> (на рис. 1 <math>d_{1} = 4</math>). (При <math>\rho<0</math> функция <math>f(\lambda)</math> всюду убывает и соответствующий корень находится слева от точки <math>d_{n}</math>). Для функции <math>f(\lambda)</math>, монотонной и гладкой на каждом из интервалов <math>(d_{i+1},d_{i})</math>, можно найти вариант метода Ньютона, который быстро и монотонно сходится к каждому из корней, если начальная точка взята в <math>(d_{i+1},d_{i})</math>. Нам достаточно знать, что на практике метод сходится к каждому собственному значению за ограниченное число шагов. Поскольку вычисление <math>f(\lambda)</math> и <math>f^{'}(\lambda)</math> стоит <math>O(n)</math> флопов, для вычисления одного собственного значения достаточно <math>O(n)</math>, а для вычисления всех <math>n</math> собственных значений матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> требуется <math>O(n^{2})</math> флопов.
Для собственных векторов матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math> мы легко можем получить явные выражения.

'''Лемма 2.''' Если <math>\alpha</math> - собственное значение матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>, то соответствующий вектор равен <math>(D - \alpha I)^{-1}u</math>. Поскольку матрица <math>D - \alpha I</math> диагональная, для вычисления такого вектора достаточно <math>O(n)</math> флопов.

Доказательство.

<math>(D + \rho uu^{T})[(D - \alpha I)^{-1}u] = (D - \alpha I + \alpha I + \rho uu^{T})(D - \alpha I)^{-1}u= </math>

<math>=u + \alpha (D - \alpha I)^{-1}u + u[\rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u]=u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u </math>

<math>=u + \alpha(D - \alpha I)^{-1}u - u</math>

поскольку <math> \rho u^{T}(D - \alpha I)^{-1}u + 1 = f(\alpha) = 0 </math>

<math>=\alpha [(D - \alpha I)^{-1}u]</math>, что и требовалось доказать.

Для вычисления по этой простой формуле всех <math>n</math> собственных векторов требуется <math>O(n^{2})</math> флопов. К сожалению, формула не обеспечивает численной устойчивости, так как для двух очень близких значений <math>\alpha_{i}</math> может давать неортогональные приближенные собственные векторы <math>u_{i}</math>. Потребовалось целое десятилетие для того, чтобы найти устойчивую альтернативу исходному описанию алгоритма. Снова детали будут обсуждаться позднее в данном разделе.

Алгоритм является рекурсивным.

=== Дефляция ===

До сих пор полагалось, что все <math>d_{i}</math> различны и все <math>u_{i}</math> отличны от нуля. Если это не так, вековое уравнение <math>f(\lambda)=0</math> имеет <math>k</math> вертикальных асимптот, где <math>k<n</math>, а потому <math>k</math> корней. Однако оказывается, что остальные <math>n - k</math> собственных значений могут быть определены без каких-либо усилий: если <math>d_{i}=d_{i+1}</math> или <math>u_{i}=0</math>, то легко показать, что <math>d_{i}</math> является собственным значением и для матрицы <math>D + \rho uu^{T}</math>. В такой ситуации мы говорим о ''дефляции''. На практике выбирается некоторое пороговое значение и дефляция для числа <math>d_{i}</math> регистрируется, если в смысле этого порога <math>d_{i}</math> достаточно близко к <math>d_{i+1}</math> либо <math>u_{i}</math> достаточно мало.

Основной выигрыш от использования дефляции состоит не в том, что убыстряется решение векового уравнения - этот этап в любом случае стоит лишь <math>O(n^{2})</math> операций. Выигрыш заключается в ускорении матричного умножения на последнем шаге алгоритма. Действительно, если <math>u_{i}=0</math>, то соответствующий собственный вектор есть i-й столбец <math>e_{i}</math> единичной матрицы. Это означает, что <math>e_{i}</math> является i-м столбцом в матрице <math>Q_{'}</math>, поэтому при формировании матрицы <math>Q</math> посредством левого умножения <math>Q_{1}</math> на <math>Q_{2}</math> вычисление i-го столбца не требует никаких затрат. Аналогичное упрощение имеет место в случае <math>d_{i} = d_{i+1}</math>. При дефляции многих собственных значений устраняется большая часть работы, связанной с матричным умножением.

== Вычислительное ядро алгоритма ==
Вычислительным ядром последовательной схемы решения является вычисление матрицы <math>Q</math> собственных векторов путём умножения матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}</math> на матрицу <math>Q^{'}</math> Данная операция имеет сложность <math>cn^{3}</math> о чём и говорится в разделе [[#Последовательная сложность алгоритма]] .
Ей предшествует вычисление собственных значений и векторов матрицы <math> D + \rho uu^{T}</math>

== Макроструктура алгоритма ==
В разделе [[#Информационный граф]] описана структура алгоритма, в которой есть блок умножения матриц для вычисления собственных векторов, являющийся вычислительным ядром алгоритма. В соответствующем разделе ([[#Вычислительное ядро алгоритма]]) мы упоминали о том, что данному блоку предшествует вычисление собственных значений, которое производится [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 методом Ньютона].

=== Решение векового уравнения ===
Подробно стоит поговорить о решении векового уравнения, которое является одной из основных частей алгоритма.

Предположим, что некоторое <math>u_{i}</math>, хотя и мало, все же недостаточно мало для того, чтобы была зарегистрирована дефляция. В этом случае применение метода Ньютона к решению векового уравнения встречается с затруднениями. Вспомним, что пересчет приближённого решения <math>u_{j}</math> уравнения <math>f(\lambda) = 0</math> в методе Ньютона основан на следующих положениях:

1. Вблизи точки <math>\lambda = \lambda_{j}</math> функция <math>f(\lambda)</math> аппроксимируется линейной функцией <math>l(\lambda)</math>; график есть прямая линия, касающаяся графика функции <math>f(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>.

2. В качестве <math>\lambda_{j+1}</math> берётся нуль этого линейного приближения, т.е. <math>l(\lambda_{j+1})=0</math>.

Функция, показанная на рис.1, не доставляет видимых трудностей методу Ньютона, поскольку вблизи каждого своего нуля <math>f(\lambda)</math> достаточно хорошо аппроксимируется линейными функциями. Однако рассмотрим график функции на рис. 2. Она получена из функции на рис. 1 заменой значения .5 для <math>u_{i}^{2}</math> на .001. Это новое значение недостаточно мало для того, чтобы вызвать дефляцию. График функции в левой части рис.2 визуально не отличим от её вертикальных и горизонтальных асимптот, поэтому в правой части укрупненно воспроизведён фрагмент графика, прилегающий к вертикальной асимптоте <math>\lambda = 2</math>. Видно, что график слишком быстро "выполняет поворот" и для большей части значений <math>\lambda</math> почти горизонтален. Поэтому, применяя метод Ньютона почти к любому начальному приближению <math>\lambda_{0}</math>, мы получаем линейное приближение <math>l(\lambda)</math> с почти горизонтальным графиком и малым положительным угловым коэффициентом. В результате <math>\lambda_{1}</math> является отрицательным числом, огромным по абсолютной величине, которое совершенно бесполезно в качестве приближения к истинному корню.

[[File:Сергеев 2.jpg|thumb|center|800px|Рис. 2. График функции <math> f(\lambda) = 1 + \frac{10^{-3}}{1 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{2 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{3 - \lambda} + \frac{10^{-3}}{4 - \lambda}</math>]]

Чтобы найти выход из этого положения, можно модифицировать метод Ньютона следующим образом: раз <math>f(\lambda)</math> нельзя хорошо приблизить линейной функцией <math>l(\lambda)</math>, попробуем взять в качестве приближения какую-нибудь другую простую функцию <math>h(\lambda)</math>. Нет ничего особого именно в прямых линиях: для метода Ньютона вместо <math>l(\lambda)</math> можно взять любое приближение <math>h(\lambda)</math>, значения и нули которого легко вычисляются. Функция <math>f(\lambda)</math> имеет полюсы в точках <math>d_{i}</math> и <math>d_{i+1}</math>, которые определяют её поведение в соответствующих окрестностях. Поэтому при поиске корня в интервале <math>(d_{i+1}, d_{i})</math> естественно выбрать функцию <math>h(\lambda)</math>, также имеющую эти полюсы, т.е. функцию вида
<math>h(\lambda)= \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3}</math>

Константы <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> обеспечивающие, что <math>h(\lambda)</math> есть приближение к <math>f(\lambda)</math>, можно выбрать несколькими способами. Отметим, что если <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> уже известны, то уравнение <math>h(\lambda)=0</math> легко решается относительно <math>\lambda</math>, поскольку сводится к эквивалентному квадратному уравнению
<math>c_{1}(d_{i+1}-\lambda)+c_{2}(d_{i}-\lambda)+c_{3}(d_{i}-\lambda)(d_{i+1}-\lambda)=0</math>

Пусть <math>\lambda_{j}</math> - приближённое значение корня. определим <math>c_{1},c_{2}</math> и <math>c_{3}</math> так, чтобы
<math>\frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} + c_{3} = h(\lambda) \approx f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} </math>

для <math>\lambda</math> в окрестности <math>\lambda_{j}</math>. Заметим, что

<math>f(\lambda) = 1 + \rho \sum_{k=1, i} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} + \rho \sum_{k=i+1, n} \frac{u_{k}^{2}} {d_{k}-\lambda} \equiv 1 + \psi_{1}(\lambda) + \psi_{2}(\lambda)</math>.

Если <math>\lambda \in (d_{i+1},d_{i})</math>, то <math>\psi_{1}(\lambda)</math> есть сумма положительных слагаемых, а <math>\psi_{2}(\lambda)</math> - сумма отрицательных. Поэтому и <math>\psi_{1}(\lambda)</math>, и <math>\psi_{2}(\lambda)</math> могут быть вычислены с высокой точностью; однако при их сложении вполне вероятно взаимное уничтожение верных разрядов и потеря относительной точности в сумме. Возьмем числа <math>c_{1}</math> и <math>\hat{c_{1}}</math>, такие, что функция

<math>h_{1}(\lambda) \equiv \hat{c_{1}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda}</math> удовлетворяет условиям <math>h_{1}(\lambda_{j}) = \psi_{1}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{1}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})</math> (1)

Это означает, что гипербола, являющаяся графиком функции <math>h_{1}(\lambda)</math>, касается графика функции <math>\psi_{i}(\lambda)</math> при <math>\lambda = \lambda_{j}</math>. Два условия в (1) - это обычные условия метода Ньютона, за исключением того, что вместо прямой в качестве приближения используется гипербола. Легко проверить, что <math>c_{1}=\psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})^{2}</math> и <math>\hat{c_{1}}=\psi_{1}(\lambda_{j}) - \psi_{1}^{'}(\lambda_{j})(d_{i} - \lambda_{j})</math>

Подобным же образом выбираем <math>c_{2}</math> и <math>\hat{c_{2}}</math> так, чтобы функция

<math>h_{2}(\lambda) \equiv \hat{c_{2}} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>

Удовлетворяла условиям

<math>h_{2}(\lambda_{j}) = \psi_{2}(\lambda_{j})</math> и <math>h_{2}^{'}(\lambda_{j})=\psi_{2}^{'}(\lambda_{j})</math> (2)

Наконец, полагаем

<math>h(\lambda) = 1 + h_{1}(\lambda) + h_{2}(\lambda) = (1 + \hat{c_{1}} + \hat{c_{2}} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda} </math>

<math>\equiv c_{3} + \frac{c_{1}}{d_{i}-\lambda} + \frac{c_{2}}{d_{i+1}-\lambda}</math>.

== Схема реализации последовательного алгоритма ==
''Вычисление собственных значений и собственных векторов симметричной трехдиагональной матрицы посредством стратегии "разделяй и властвуй"'':

''proc dc_eig''<math>(T,Q,\Lambda)...</math> по входной матрице <math>T</math> вычисляются выходные матрицы <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>, такие, что <math>T = Q\Lambda Q^{T}</math>

'''Если <math>T</math> - матрица размера <math>1</math> x <math>1</math>'''

1. Присвоить выходным параметрам значения <math> Q = 1, \Lambda = T</math>

'''Иначе'''

1. Представить <math>T</math> в виде <math> T = \begin{bmatrix} T_{1} & 0 \\ 0 & T_{2}\end{bmatrix} + b_{m}vv^{T} </math>

2. ''call dc_eig''<math>(T_{1},Q_{1},\Lambda_{1})</math>

3. ''call dc_eig''<math>(T_{2},Q_{2},\Lambda_{2})</math>

4. Построить <math>D+\rho uu^{T}</math> по <math> \Lambda_{1},\Lambda_{2}, Q_{1}, Q_{2}</math>

5. Найти матрицу собственных значений <math>\Lambda</math>

6. Найти матрицу собственных векторов <math>Q^{'}</math> для матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

7. Построить матрицу собственных векторов <math>Q</math> для матрицы <math>T</math> : <math> Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}* Q^{'} </math>

8. Присвоить выходным параметрам значения <math>Q</math> и <math>\Lambda</math>

'''endif'''

== Последовательная сложность алгоритма ==
Проанализируем сложность алгоритма. Пусть <math>t(n)</math> - число флопов при обработке матрицы размера <math> n x n</math> процедурой ''dc_eig''. Тогда

<math> t(n) = 2t(n/2) </math> два рекурсивных обращения к ''dc_eig''<math>(T_{i},Q_{i},\Lambda_{i})</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных значений матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +O(n^{2})</math> вычисление собственных векторов матрицы <math>D+\rho uu^{T}</math>

<math> +c*n^{3}</math> вычисление матрицы <math>Q = \begin{bmatrix} Q_{1} & 0 \\ 0 & Q_{2}\end{bmatrix}*Q^{'}</math>

Если <math> Q_{1}, Q_{2}</math> и <math>Q^{'}</math> рассматриваются как плотные матрицы и используется стандартный алгоритм матричного умножения, то константа <math> c </math> в последней строке равна 1. Таким образом, именно это умножение составляет наиболее трудоёмкую часть алгоритма в целом. Игнорируя члены порядка <math>n^{2}</math>, получаем <math>t(n) = 2t(n/2) + cn^{3}</math>. Решая это разностное уравнение, находим <math> t \approx c\frac{4}{3}n^{3} </math>

На практике константа <math>c</math> обычно гораздо меньше 1, потому что матрица <math>Q^{'}</math> весьма разрежена вследствие явления, называемого дефляцией.

== Информационный граф ==
В данном разделе представлен информационный граф алгоритма: на рисунке 2 изображена структура всего алгоритма в целом, в то время как на рисунке 3 детально описана одна из ячеек структуры.
[[File:Сергеев 3.jpg|thumb|center|left|800px|Рис. 3. Дерево алгоритма "Разделяй и властвуй"]]

[[File:Сергеев 4.jpg|thumb|center|1200px|Рис. 4. Детальное описание одного блока алгоритма]]

== Ресурс параллелизма алгоритма ==
Рассмотрев информационный граф алгоритма, можно заметить, что в структуре имеется два параллельных блока - вызов рекурсивных функций ''dc_eig'' для вычисления собственных значений и векторов матриц <math>T_{1}</math> и <math>T_{2}</math> - это единственная часть алгоритма, в которой мы прибегаем к параллелизму. В случае реализации без параллелизма, функции ''dc_eig'' отрабатывают последовательно - сначала со входными параметрами <math>T_{1}, Q_{1}, \Lambda_{1}</math>, затем - <math>T_{2}, Q_{2}, \Lambda_{2}</math>.

== Входные и выходные данные алгоритма ==
На вход алгоритму подаётся трёхдиагональная матрица, описанная в разделе [[#Математическое описание алгоритма]]

На выходе мы получаем собственные значения и собственные вектора исходной матрицы

== Свойства алгоритма ==
Описанный в данной статье алгоритм является самым быстрым алгоритмом, среди существующих: QR / Бисекция и обратная итерация / Разделяй и властвуй.

Последовательная сложность алгоритма: <math> t = c\frac{4}{3}n^{3} </math>

Параллельная сложность алгоритма (в силу использования дефляции): <math> O(n^{2.3)}</math> или в самых редких случаях <math> O(n^{2}) </math> (см. [3] стр. 8).

Особенности алгоритма:

1. Использование дефляции ([[#Дефляция]])

2. Использование адаптированного метода Ньютона ([[#Макроструктура алгоритма]])

= ЧАСТЬ. Программная реализация алгоритма =
Вторая часть описания алгоритмов в рамках AlgoWiki рассматривает все составные части процесса их реализации. Рассматривается как последовательная реализация алгоритма, так и параллельная. Описывается взаимосвязь свойств программ, реализующих алгоритм, и особенностей архитектуры компьютера, на которой они выполняются. Исследуется работа с памятью, локальность данных и вычислений, описывается масштабируемость и эффективность параллельных программ, производительность компьютеров, достигаемая на данной программе. Обсуждаются особенности реализации для разных классов архитектур компьютеров, приводятся ссылки на реализации в существующих библиотеках.

== Особенности реализации последовательного алгоритма ==

== Локальность данных и вычислений ==

== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма ==
== Масштабируемость алгоритма и его реализации ==
TBD

== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма ==

== Выводы для классов архитектур ==

== Существующие реализации алгоритма ==
Большого количества реализаций данного алгоритма найдено не было: единственный пример описан на страницах 7, 19 и 20 в [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf этой статье], которая указана в списке литературы.

= Литература =
[1] Дж. Деммель, «Вычислительная линейная алгебра» //С. 230-235

[2] [http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/104_1999_a-parallel-divide-and-conquer-algorithm.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, A Parallel Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[3] [http://www.netlib.org/lapack/lawnspdf/lawn132.pdf Francoise Tisseury, Jack Dongarra, Parallelizing the Divide and Conquer Algorithm for the Symmetric Tridiagonal Eigenvalue Problem on Distributed Memory Architectures]

[4] [https://en.wikipedia.org/wiki/Divide-and-conquer_eigenvalue_algorithm Алгоритм "Разделяй и властвуй" - Wikipedia]

[5] [http://www.cscamm.umd.edu/tadmor/pub/linear-stability/Gill_Tadmor_SISC90.pdf Doron Grill and Eitan Tadmor AN <math>O(N2)</math> METHOD FOR COMPUTING THE EIGENSYSTEM OF <math>N</math>x<math>N</math> SYMMETRIC TRIDIAGONAL MATRICES BY THE DIVIDE AND CONQUER APPROACH]

[[en:Description of algorithm properties and structure]]