Прямая подстановка (вещественный вариант): различия между версиями
| [досмотренная версия] | [досмотренная версия] |
Frolov (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
ASA (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| (не показана 1 промежуточная версия этого же участника) | |||
| Строка 8: | Строка 8: | ||
}} | }} | ||
Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]] | Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]]. | ||
== Свойства и структура алгоритма == | == Свойства и структура алгоритма == | ||
| Строка 153: | Строка 153: | ||
</source> | </source> | ||
При этом для реализации режима накопления переменная <math>S</math> должна быть двойной точности. | При этом для реализации режима накопления переменная <math>S</math> должна быть двойной точности. | ||
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | === Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | ||
=== | === Результаты прогонов === | ||
=== Выводы для классов архитектур === | === Выводы для классов архитектур === | ||
== Литература == | == Литература == | ||
Текущая версия от 06:48, 18 июля 2022
| Прямая подстановка для нижней треугольной матрицы с единичной диагональю | |
| Последовательный алгоритм | |
| Последовательная сложность | [math]\displaystyle{ O(n^2) }[/math] |
| Объём входных данных | [math]\displaystyle{ O(n^2) }[/math] |
| Объём выходных данных | [math]\displaystyle{ n }[/math] |
| Параллельный алгоритм | |
| Высота ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(n) }[/math] |
| Ширина ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(n) }[/math] |
Основные авторы описания: А.В.Фролов.
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Прямая подстановка - решение СЛАУ [math]\displaystyle{ Lx = y }[/math] с нижней треугольной матрицей [math]\displaystyle{ L }[/math]. Матрица [math]\displaystyle{ L }[/math] - одна из составляющих матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math] и получается либо из [math]\displaystyle{ LU }[/math]-разложения последней каким-либо из многочисленных способов (например, простое разложение Гаусса, разложение Гаусса с выбором ведущего элемента, компактная схема Гаусса), либо из других разложений. В силу треугольности [math]\displaystyle{ L }[/math] решение СЛАУ является одной из модификаций общего метода подстановки и записывается простыми формулами.
В[1] метод решения СЛАУ с левой треугольной матрицей назван методом обратной подстановки. Там же отмечено, что в литературе иногда под обратной подстановкой имеют в виду, как и здесь, только решения СЛАУ с правой треугольной матрицей, а решение левых треугольных систем называют прямой подстановкой. Такой же системы названий будем придерживаться и мы, во избежание одноимённого названия разных алгоритмов. Кроме того, обратная подстановка, представленная в этой энциклопедии алгоритмов, одновременно является частью метода Гаусса для решения СЛАУ, а именно - его обратным ходом, чего нельзя сказать про представленную здесь прямую подстановку.
Общая структура прямой подстановки с неособенной нижней треугольной матрицей, тем не менее, практически полностью совпадает со структурой обратной подстановки. Поэтому здесь мы рассмотрим случай, когда матрица [math]\displaystyle{ L }[/math], как полученная из разложения типа Гаусса, имеет единичные диагональные элементы.
Математическое описание алгоритма
Исходные данные: нижняя треугольная матрица [math]\displaystyle{ L }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ l_{ij} }[/math]), вектор правой части [math]\displaystyle{ b }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ b_{i} }[/math]).
Вычисляемые данные: вектор решения [math]\displaystyle{ y }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ y_{i} }[/math]).
Формулы метода:
- [math]\displaystyle{ \begin{align} y_{1} & = b_{1} \\ y_{i} & = b_{i} - \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j}, \quad i \in [2, n]. \end{align} }[/math]
Существует также блочная версия метода, однако в данном описании разобран только точечный метод.
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительное ядро прямой подстановки можно составить из множественных (всего их [math]\displaystyle{ n-1 }[/math]) вычислений скалярных произведений строк матрицы [math]\displaystyle{ L }[/math] на уже вычисленную часть вектора [math]\displaystyle{ y }[/math]:
- [math]\displaystyle{ \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j} }[/math]
в режиме накопления или без него, в зависимости от требований задачи, с их последующим вычитанием из компоненты вектора [math]\displaystyle{ b }[/math] и деления на диагональный элемент матрицы [math]\displaystyle{ L }[/math]. В отечественных реализациях, даже в последовательных, упомянутый способ представления не используется. Дело в том, что даже в этих реализациях метода вычисление сумм типа
- [math]\displaystyle{ b_{i} - \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j} }[/math]
в которых и встречаются скалярные произведения, ведутся не в порядке «вычислили скалярное произведение, а потом вычли его из элемента», а путём вычитания из элемента покомпонентных произведений, являющихся частями скалярных произведений. Поэтому следует считать вычислительным ядром метода прямой подстановки не вычисления скалярных произведений, а вычисления выражений
- [math]\displaystyle{ b_{i} - \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j} }[/math]
в режиме накопления или без него, в зависимости от требований задачи.
Макроструктура алгоритма
Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода прямой подстановки составляют множественные (всего [math]\displaystyle{ n-1 }[/math]) вычисления сумм
- [math]\displaystyle{ b_{i} - \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j} }[/math]
в режиме накопления или без него.
Схема реализации последовательного алгоритма
Чтобы понять последовательность исполнения, перепишем формулы метода так:
1. [math]\displaystyle{ y_{1} = b_{1} }[/math]
Далее для всех [math]\displaystyle{ i }[/math] от [math]\displaystyle{ 2 }[/math] до [math]\displaystyle{ n }[/math] по возрастанию выполняются
2. [math]\displaystyle{ y_{i} = b_{i} - \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j} }[/math]
Особо отметим, что вычисления сумм вида [math]\displaystyle{ b_{i} - \sum_{j = 1}^{i-1} l_{ij} y_{j} }[/math] производят в режиме накопления вычитанием из [math]\displaystyle{ b_{i} }[/math] произведений [math]\displaystyle{ l_{ij} y_{j} }[/math] для [math]\displaystyle{ j }[/math] от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ i-1 }[/math], c возрастанием [math]\displaystyle{ j }[/math]. Другие порядки выполнения суммирования приводят к резкому ухудшению параллельных свойств алгоритма.
Последовательная сложность алгоритма
Для прямой подстановки порядка n в последовательном (наиболее быстром) варианте требуется:
- по [math]\displaystyle{ \frac{n^2-n}{2} }[/math] умножений и сложений (вычитаний).
При этом использование режима накопления требует совершения умножений и вычитаний в режиме двойной точности (или использования функции вроде DPROD в Фортране), что ещё больше увеличивает затраты во времени, требуемом для выполнения прямой подстановки.
При классификации по последовательной сложности, таким образом, метод обратной подстановки относится к алгоритмам с квадратической сложностью.
Информационный граф
Опишем граф алгоритма как аналитически, так и в виде рисунка.

Граф алгоритма прямой подстановки состоит из одной группы вершин, расположенной в целочисленных узлах двумерной области, соответствующая ей операция [math]\displaystyle{ a-bc }[/math].
Естественно введённые координаты области таковы:
- [math]\displaystyle{ i }[/math] — меняется в диапазоне от [math]\displaystyle{ 2 }[/math] до [math]\displaystyle{ n }[/math], принимая все целочисленные значения;
- [math]\displaystyle{ j }[/math] — меняется в диапазоне от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ i-1 }[/math], принимая все целочисленные значения.
Аргументы операции следующие:
- [math]\displaystyle{ a }[/math]:
- при [math]\displaystyle{ j = 1 }[/math] элемент входных данных [math]\displaystyle{ b_{i} }[/math];
- при [math]\displaystyle{ j \gt 1 }[/math] — результат срабатывания операции, соответствующей вершине с координатами [math]\displaystyle{ i, j-1 }[/math];
- [math]\displaystyle{ b }[/math] — элемент входных данных, а именно [math]\displaystyle{ l_{ij} }[/math];
- [math]\displaystyle{ c }[/math]:
- при [math]\displaystyle{ j = 1 }[/math] элемент входных данных [math]\displaystyle{ b_{1} }[/math];
- при [math]\displaystyle{ j \gt 1 }[/math] — результат срабатывания операции, соответствующей вершине с координатой [math]\displaystyle{ j, j-1 }[/math];
Результат срабатывания операции является:
- при [math]\displaystyle{ j \lt i-1 }[/math] - промежуточным данным алгоритма;
- при [math]\displaystyle{ j = i-1 }[/math] - выходным данным.
Описанный граф можно посмотреть на рисунке, выполненном для случая [math]\displaystyle{ n = 5 }[/math]. Здесь вершины обозначены зелёным цветом. Подача входных данных из вектора [math]\displaystyle{ b }[/math], идущая в вершины левого столбца, и матрицы [math]\displaystyle{ L }[/math], идущая во все вершины, на рисунке не представлена.
Ресурс параллелизма алгоритма
Для прямой подстановки порядка n в параллельном варианте требуется последовательно выполнить следующие ярусы:
- по [math]\displaystyle{ n - 1 }[/math] ярусов умножений и сложений/вычитаний (в каждом из ярусов — линейное количество операций, от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ n-1 }[/math].
При этом использование режима накопления требует совершения умножений и вычитаний в режиме двойной точности, а в параллельном варианте это означает, что практически все промежуточные вычисления для выполнения алгоритма в режиме накопления должны быть двойной точности. В отличие от последовательного варианта это означает некоторое увеличение требуемой памяти.
При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод прямой подстановки относится к алгоритмам с линейной сложностью. При классификации по ширине ЯПФ его сложность также будет линейной.
Входные и выходные данные алгоритма
Входные данные: нижняя треугольная матрица [math]\displaystyle{ L }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ l_{ij} }[/math]), вектор правой части [math]\displaystyle{ b }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ b_{i} }[/math]).
Объём входных данных: [math]\displaystyle{ \frac{n (n + 1)}{2} }[/math] (в силу треугольности и единичности диагональных элементов достаточно хранить только поддиагональные элементы матрицы [math]\displaystyle{ L }[/math]).
Выходные данные: вектор решения [math]\displaystyle{ y }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ y_{i} }[/math]).
Объём выходных данных: [math]\displaystyle{ n~. }[/math]
Свойства алгоритма
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является линейным (отношение квадратической к линейной).
При этом вычислительная мощность алгоритма прямой подстановки, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных – всего лишь константа.
При этом алгоритм прямой подстановки полностью детерминирован. Использование другого порядка выполнения ассоциативных операций в данной версии нами не рассматривается, поскольку в корне меняет структуру алгоритма и делает параллельную сложность квадратической.
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
В простейшем варианте метод прямой подстановки на Фортране можно записать так:
Y(1) = B(1)
DO I = 2, N-1
S = B(I)
DO J = 1, I-1
S = S - DPROD(L(I,J), Y(J))
END DO
END DO
При этом для реализации режима накопления переменная [math]\displaystyle{ S }[/math] должна быть двойной точности.
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Результаты прогонов
Выводы для классов архитектур
Литература
- ↑ В.В.Воеводин, Ю.А.Кузнецов. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984, стр. 182.