Участник:BoldyrevVV MSU/Параллельная реализация матричного крестового метода: различия между версиями
upd parallel impl |
add references |
||
| (не показана 1 промежуточная версия этого же участника) | |||
| Строка 16: | Строка 16: | ||
'''Матричный крестовой метод''' — это быстрый метод построения малорангового приближения матрицы, не требующий хранения или полного доступа ко всей матрице. Вместо этого он работает с отдельными элементами, выбор которых адаптивно определяется в ходе вычислений. Метод особенно эффективен в задачах, где матрица задана неявно — например, как функция расстояния между точками в пространстве (ядерные матрицы, ковариационные матрицы, интегральные операторы и т.п.). | '''Матричный крестовой метод''' — это быстрый метод построения малорангового приближения матрицы, не требующий хранения или полного доступа ко всей матрице. Вместо этого он работает с отдельными элементами, выбор которых адаптивно определяется в ходе вычислений. Метод особенно эффективен в задачах, где матрица задана неявно — например, как функция расстояния между точками в пространстве (ядерные матрицы, ковариационные матрицы, интегральные операторы и т.п.). | ||
Ключевая идея основана на так называемом '''крестовом разложении''': | Ключевая идея основана на так называемом '''крестовом разложении'''<ref>S. A. Goreinov, E. E. Tyrtyshnikov, and N. L. Zamarashkin,“Pseudoskeleton Approximations of Matrices,”Dokl. Akad. Nauk343(2), 151–152 (1995) [Dokl. Math.52(1), 18–19 (1995)]</ref><ref>E. Tyrtyshnikov, “Incomplete Cross Approximation in theMosaic-Skeleton Method,” Computing64(4),367–380 (2000).</ref>.: ''Если'' известны <math>r</math> строк и <math>r</math> столбцов матрицы, пересечение которых образует невырожденную подматрицу, ''то'' вся матрица может быть восстановлена через интерполяцию по этим строкам и столбцам. На практике используется '''адаптивная схема''' (ACA и ACA+)<ref>Zhao, Kezhong & Vouvakis, M.N. & Lee, Jin-Fa. (2005). The Adaptive Cross Approximation Algorithm for Accelerated Method of Moments Computations of EMC Problems. Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on. 47. 763 - 773. 10.1109/TEMC.2005.857898.</ref> с выбором элемента максимальной невязки на каждой итерации (аналог жадного алгоритма), что позволяет обойтись без поиска подматрицы максимального объёма. | ||
Важнейшее преимущество метода — малая вычислительная стоимость: для построения приближения ранга <math>r</math> требуется <math>O((m + n) r)</math> вычислений элементов матрицы и <math>O((m + n) r^2)</math> арифметических операций. | Важнейшее преимущество метода — малая вычислительная стоимость: для построения приближения ранга <math>r</math> требуется <math>O((m + n) r)</math> вычислений элементов матрицы и <math>O((m + n) r^2)</math> арифметических операций. | ||
В условиях современных суперкомпьютеров и больших размерностей (<math>m, n \sim 10^5</math> и выше) естественным шагом становится параллельная реализация, предложенная в работе Д. А. Желткова и Е. Е. Тыртышникова (2015). Она распределяет строки и столбцы матрицы между процессорами и использует коллективные операции для глобального выбора доминирующего элемента невязки. | В условиях современных суперкомпьютеров и больших размерностей (<math>m, n \sim 10^5</math> и выше) естественным шагом становится параллельная реализация, предложенная в работе Д. А. Желткова и Е. Е. Тыртышникова (2015)<ref>Желтков, Д.А. Параллельная реализация матричного крестового метода // Д.А. Желтков, Е.Е. Тыртышников // ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ: НОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. - 2015. № 3 16. - 369-375.</ref>. Она распределяет строки и столбцы матрицы между процессорами и использует коллективные операции для глобального выбора доминирующего элемента невязки. | ||
==== Особенности параллельной реализации ==== | ==== Особенности параллельной реализации ==== | ||
| Строка 41: | Строка 41: | ||
''Инициализация:'' | ''Инициализация:'' | ||
<math>I \gets {1,\dots,m}</math>,<math>J \gets {1,\dots,n}</math>,<math>r \gets 0 | <math>I \gets {1,\dots,m}</math>, <math>J \gets {1,\dots,n}</math>, <math>r \gets 0 | ||
</math>. | </math>. | ||
<br>''Повторять:''<br> | <br>''Повторять:''<br> | ||
| Строка 54: | Строка 54: | ||
<br><br> | <br><br> | ||
В результате работы этого алгоритма матрица <math>\sum_{i=1}^{r} C_i\hat{A}_{i}^{-1} R_i</math> будет приближать матрицу <math>A</math>. | В результате работы этого алгоритма матрица <math>\sum_{i=1}^{r} C_i\hat{A}_{i}^{-1} R_i</math> будет приближать матрицу <math>A</math>. | ||
В рассматриваемой работе используется частный случай этой схемы при <math>k = 1</math>, то есть на каждой итерации выбирается один элемент с максимальной по модулю невязкой. В этом случае подматрица <math>\hat{A}_r</math> — скаляр, а обновление факторов происходит по явным формулам. | В рассматриваемой работе используется частный случай этой схемы при <math>k = 1</math>, ''то'' есть на каждой итерации выбирается один элемент с максимальной по модулю невязкой. В этом случае подматрица <math>\hat{A}_r</math> — скаляр, а обновление факторов происходит по явным формулам. | ||
<br> | <br><br> | ||
С учeтом данного выбора алгоритм выглядит следующим образом. | С учeтом данного выбора алгоритм выглядит следующим образом. | ||
| Строка 63: | Строка 63: | ||
<math>I \gets {1,\dots,m}</math>, <math>J \gets {1,\dots,n}</math>, <math>r \gets 0</math>. | <math>I \gets {1,\dots,m}</math>, <math>J \gets {1,\dots,n}</math>, <math>r \gets 0</math>. | ||
<br>''Цикл:'' | <br>''Цикл:'' | ||
<br> | <br>1. <math>r \gets r + 1</math>; | ||
<br>2. Найти строку с максимальной невязкой в первом доступном столбце: | |||
<br> | |||
<br> | <br> | ||
:<math>i \gets \arg\max_{i \in I} |A_{i, J(1)} - [UV]{i, J(1)}|</math>; | :<math>i \gets \arg\max_{i \in I} |A_{i, J(1)} - [UV]{i, J(1)}|</math>; | ||
<br> | <br>3. Найти столбец с максимальной невязкой в найденной строке: | ||
<br> | <br> | ||
:<math>j \gets \arg\max{j \in J} |A_{ij} - [UV]{ij}|</math>; | :<math>j \gets \arg\max{j \in J} |A_{ij} - [UV]{ij}|</math>; | ||
<br> | <br>4. Проверить критерий остановки: | ||
<br> | <br> | ||
: | :''Если'' | ||
:<math>|(A - UV){ij}| \cdot \sqrt{(m - r)(n - r)} < \varepsilon |UV|F</math>, <br>то | :<math>|(A - UV){ij}| \cdot \sqrt{(m - r)(n - r)} < \varepsilon |UV|F</math>, <br>''то'' | ||
::<math>r \gets r - 1</math>, | ::<math>r \gets r - 1</math>, | ||
::выйти из цикла; | ::выйти из цикла; | ||
<br><br> | <br><br>5. Обновить факторы: | ||
:<math>u \gets \dfrac{A^{j} - [UV]^{j}}{\sqrt{\vert A_{ij}\vert}}</math>, | :<math>u \gets \dfrac{A^{j} - [UV]^{j}}{\sqrt{\vert A_{ij}\vert}}</math>, | ||
:<math>v \gets \dfrac{(A_{i} - [UV]_{i}) \cdot \sqrt{\vert A_{ij}\vert}}{A_{ij}}</math>; | :<math>v \gets \dfrac{(A_{i} - [UV]_{i}) \cdot \sqrt{\vert A_{ij}\vert}}{A_{ij}}</math>; | ||
<br><br> | <br><br>6. Расширить матрицы: | ||
:<math>U \gets [Uu]</math>, | :<math>U \gets [Uu]</math>, | ||
:<math>V \gets \begin{bmatrix} V \\ v \end{bmatrix}</math>; | :<math>V \gets \begin{bmatrix} V \\ v \end{bmatrix}</math>; | ||
<br> | <br>7. Исключить использованные индексы: | ||
:<math>I \gets I \setminus \left\{ {i} \right\}</math>, | :<math>I \gets I \setminus \left\{ {i} \right\}</math>, | ||
:<math>J \gets J \setminus \left\{ {j} \right\}</math>; | :<math>J \gets J \setminus \left\{ {j} \right\}</math>; | ||
| Строка 102: | Строка 101: | ||
:<math>{b}_{n} \gets \frac{n}{p}</math> | :<math>{b}_{n} \gets \frac{n}{p}</math> | ||
''Если'' | |||
:<math>rnk = 0</math>, то | :<math>rnk = 0</math>, ''то'' | ||
::<math>J_* \gets {1, \dots, n}</math> | ::<math>J_* \gets {1, \dots, n}</math> | ||
''КонецЕсли'' | |||
:<math>I \gets { bm \cdot rnk + 1, \dots, bm \cdot (rnk + 1) }</math> | :<math>I \gets { bm \cdot rnk + 1, \dots, bm \cdot (rnk + 1) }</math> | ||
| Строка 113: | Строка 113: | ||
:<math>r \gets r + 1</math> | :<math>r \gets r + 1</math> | ||
''Eсли'' <math>rnk = 0</math>, ''то'' | |||
::<math>j \gets J^*(1)</math> | ::<math>j \gets J^*(1)</math> | ||
''КонецЕсли'' | |||
:<math>\texttt{Broadcast}(0, j, j)</math> | :<math>\texttt{Broadcast}(0, j, j)</math> | ||
| Строка 124: | Строка 124: | ||
:<math>\texttt{Gather}\left( 0, \left\{ i, \vert A_{ij} - [U v]_i \vert \right\}, max_i \right)</math> | :<math>\texttt{Gather}\left( 0, \left\{ i, \vert A_{ij} - [U v]_i \vert \right\}, max_i \right)</math> | ||
''Eсли'' <math>rnk = 0</math>, ''то'' | |||
::<math>{i, column_maximum} \gets \max_{k \in [1; p]} (max_i[k])</math> | ::<math>{i, column_maximum} \gets \max_{k \in [1; p]} (max_i[k])</math> | ||
''КонецЕсли'' | |||
:<math>\texttt{Broadcast}(0, i, i)</math> | :<math>\texttt{Broadcast}(0, i, i)</math> | ||
| Строка 136: | Строка 137: | ||
:<math>\texttt{Gather}(0, \left\{j, \vert A_{ij} - [u V]_j \vert \right\}, max_j)</math> | :<math>\texttt{Gather}(0, \left\{j, \vert A_{ij} - [u V]_j \vert \right\}, max_j)</math> | ||
''Eсли'' <math>rnk = 0</math>, ''то'' | |||
::<math>{j, maximum} \gets \max_{k \in [1; p]} (maxj[k])</math> | ::<math>{j, maximum} \gets \max_{k \in [1; p]} (maxj[k])</math> | ||
''КонецЕсли'' | |||
:<math>\texttt{Broadcast}(0, \left\{j, maximum\right\}, \left\{j, maximum\right\})</math> | :<math>\texttt{Broadcast}(0, \left\{j, maximum\right\}, \left\{j, maximum\right\})</math> | ||
| Строка 152: | Строка 154: | ||
:<math>J \gets J \setminus \left\{ j \right\}</math> | :<math>J \gets J \setminus \left\{ j \right\}</math> | ||
''Eсли'' <math>rnk = 0</math>, ''то'' | |||
::<math>J_* \gets J_* \setminus \left\{ j \right\}</math> | ::<math>J_* \gets J_* \setminus \left\{ j \right\}</math> | ||
''КонецЕсли'' | |||
''до тех пор, пока'' | ''до тех пор, пока'' | ||
:<math>\operatorname{tol} \vert \vert UV \vert \vert _F < |maximum| \cdot \sqrt{(m - r)(n - r)}</math> | :<math>\operatorname{tol} \vert \vert UV \vert \vert _F < |maximum| \cdot \sqrt{(m - r)(n - r)}</math> | ||
''' | '''Вернуть''' <math>(U, V, r)</math> | ||
<br> | <br> | ||
Функция <math>\texttt{Broadcast}\left( i,a,b \right)</math> рассылает переменную a | <br> | ||
Функция <math>\texttt{Broadcast}\left( i,a,b \right)</math> рассылает переменную a с процессора <math>i</math> в переменную <math>b</math> всех процессоров; функция <math>\texttt{Gather}\left( i,a,b \right)</math> собирает переменную <math>a</math> всех процессоров в переменную <math>b</math> (таким образом, <math>b</math> массив из переменных <math>a</math> процессора <math>i</math>. | |||
<br><br> | |||
Пересчёт нормы текущего приближения легко осуществляется параллельно в условиях реализованного в алгоритме распределения по процессорам матриц <math>U</math> и <math>V</math>. Каждый процессор может вычислять векторы | |||
:<math>x_{rnk} = u^T[b_m \cdot rnk + 1 : b_m \cdot (rnk + 1)] \cdot U[b_m \cdot rnk + 1 : b_m \cdot (rnk + 1), :]</math>, | |||
:<math>y_{rnk} = v^T[b_n \cdot rnk + 1 : b_n \cdot (rnk + 1)] \cdot V[:, b_n \cdot rnk + 1 : b_n \cdot (rnk + 1)]</math>. | |||
Находим суммы | |||
<math>x = \sum_{rnk=0}^{p} x_{rnk}</math>, <math>y = \sum_{rnk=0}^{p} y_{rnk}</math>, | |||
каждую с помощью одной операции коллективного взаимодействия процессоров. Вычисляем их скалярное произведение <math>(x, y)</math>. Очевидно, что <math>(x, y) = (U^T u, V v^T)</math>. | |||
Слагаемые <math>(V v^T, U^T u)</math> и <math>||u||_2^2 ||v||_2^2</math>, требуемые для пересчёта нормы, вычисляются аналогично. | |||
Для систем с общей памятью алгоритм аналогичен, но не требует пересылок данных и распределения матриц между процессорами. Для гибридных систем легко получить комбинацию алгоритмов. | |||
Каждый процессор, кроме первого, в данном алгоритме выполняет <math>O\left(\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r^2\right)</math> операций и вычисляет <math>O\left(\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r\right)</math> элементов матрицы. Первый процессор дополнительно выполняет <math>O(rp)</math> операций. | |||
== Литература == | |||
<references /> | |||
Текущая версия от 19:13, 4 ноября 2025
| Матричный крестовой метод | |
| Последовательный алгоритм | |
| Последовательная сложность | [math]\displaystyle{ O((m + n) r^2) }[/math] |
| Объём входных данных | [math]\displaystyle{ O((m + n) r) }[/math] (вычисляются лишь отдельные элементы матрицы) |
| Объём выходных данных | [math]\displaystyle{ O((m + n) r) }[/math] (факторы [math]\displaystyle{ U \in \mathbb{R}^{m \times r} }[/math], [math]\displaystyle{ V \in \mathbb{R}^{r \times n} }[/math]) |
| Параллельный алгоритм | |
| Высота ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(r p) }[/math] |
| Ширина ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r }[/math] |
Основные авторы описания: Д. А. Желтков, Е. Е. Тыртышников
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Матричный крестовой метод — это быстрый метод построения малорангового приближения матрицы, не требующий хранения или полного доступа ко всей матрице. Вместо этого он работает с отдельными элементами, выбор которых адаптивно определяется в ходе вычислений. Метод особенно эффективен в задачах, где матрица задана неявно — например, как функция расстояния между точками в пространстве (ядерные матрицы, ковариационные матрицы, интегральные операторы и т.п.).
Ключевая идея основана на так называемом крестовом разложении[1][2].: Если известны [math]\displaystyle{ r }[/math] строк и [math]\displaystyle{ r }[/math] столбцов матрицы, пересечение которых образует невырожденную подматрицу, то вся матрица может быть восстановлена через интерполяцию по этим строкам и столбцам. На практике используется адаптивная схема (ACA и ACA+)[3] с выбором элемента максимальной невязки на каждой итерации (аналог жадного алгоритма), что позволяет обойтись без поиска подматрицы максимального объёма.
Важнейшее преимущество метода — малая вычислительная стоимость: для построения приближения ранга [math]\displaystyle{ r }[/math] требуется [math]\displaystyle{ O((m + n) r) }[/math] вычислений элементов матрицы и [math]\displaystyle{ O((m + n) r^2) }[/math] арифметических операций.
В условиях современных суперкомпьютеров и больших размерностей ([math]\displaystyle{ m, n \sim 10^5 }[/math] и выше) естественным шагом становится параллельная реализация, предложенная в работе Д. А. Желткова и Е. Е. Тыртышникова (2015)[4]. Она распределяет строки и столбцы матрицы между процессорами и использует коллективные операции для глобального выбора доминирующего элемента невязки.
Особенности параллельной реализации
В параллельной версии каждый процессор хранит часть строк и столбцов факторов [math]\displaystyle{ U }[/math] и [math]\displaystyle{ V }[/math]. На каждой итерации:
- процессоры совместно находят глобальный максимум невязки с помощью операций [math]\displaystyle{ \texttt{Gather} }[/math] и [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast} }[/math];
- соответствующие строки и столбцы обновляются локально;
- норма Фробениуса текущего приближения пересчитывается распределённо, без полного сбора данных.
Эта стратегия позволяет сохранить низкую коммуникационную сложность: каждый процессор выполняет [math]\displaystyle{ O(r) }[/math] обменов, а длина каждого сообщения не превышает [math]\displaystyle{ r }[/math]. При этом трудоёмкость на один процессор снижается до [math]\displaystyle{ O\left(\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r^2\right) }[/math],
а количество вычисляемых элементов — до [math]\displaystyle{ O\left(\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r\right) }[/math].
Математическое описание алгоритма
Пусть задана матрица [math]\displaystyle{ A \in \mathbb{R}^{m \times n} }[/math]. Цель — построить её малоранговое приближение вида [math]\displaystyle{ A \approx UV }[/math], где [math]\displaystyle{ U \in \mathbb{R}^{m \times r} }[/math], [math]\displaystyle{ V \in \mathbb{R}^{r \times n} }[/math], а ранг [math]\displaystyle{ r \ll \min(m,n) }[/math].
Общая схема крестового метода основана на последовательном выделении строк и столбцов, содержащих подматрицу максимального (или достаточно большого) объёма. В обобщённом виде она выглядит следующим образом:
Алгоритм 1. Схема крестового метода
Инициализация:
[math]\displaystyle{ I \gets {1,\dots,m} }[/math], [math]\displaystyle{ J \gets {1,\dots,n} }[/math], [math]\displaystyle{ r \gets 0
}[/math].
Повторять:
- [math]\displaystyle{ r \gets r + 1 }[/math];
- Найти подмножества индексов [math]\displaystyle{ I_* \subset I }[/math], [math]\displaystyle{ J_* \subset J }[/math] (размера [math]\displaystyle{ k }[/math]), такие что подматрица [math]\displaystyle{ A[I_*, J_*] }[/math] имеет достаточно большой объём (процедура [math]\displaystyle{ \texttt{maxvol} }[/math]);
- Выбрать столбцы: [math]\displaystyle{ C_r \gets A[:, J_*] }[/math];
- Выбрать строки: [math]\displaystyle{ R_r \gets A[I_*, :] }[/math];
- Выделить ядро: [math]\displaystyle{ \hat{A_i} \gets A[:, I_* J_*] }[/math];
- Обновить текущую невязку: [math]\displaystyle{ A \gets A - C_r \hat{A}_{r}^{-1} R_r }[/math];
- Исключить использованные индексы: [math]\displaystyle{ I \gets I \setminus I_* }[/math], [math]\displaystyle{ J \gets J \setminus J_* }[/math];
До выполнения критерия остановки.
В результате работы этого алгоритма матрица [math]\displaystyle{ \sum_{i=1}^{r} C_i\hat{A}_{i}^{-1} R_i }[/math] будет приближать матрицу [math]\displaystyle{ A }[/math].
В рассматриваемой работе используется частный случай этой схемы при [math]\displaystyle{ k = 1 }[/math], то есть на каждой итерации выбирается один элемент с максимальной по модулю невязкой. В этом случае подматрица [math]\displaystyle{ \hat{A}_r }[/math] — скаляр, а обновление факторов происходит по явным формулам.
С учeтом данного выбора алгоритм выглядит следующим образом.
Алгоритм 2. Крестовый метод ([math]\displaystyle{ k = 1 }[/math])
Инициализация:
[math]\displaystyle{ I \gets {1,\dots,m} }[/math], [math]\displaystyle{ J \gets {1,\dots,n} }[/math], [math]\displaystyle{ r \gets 0 }[/math].
Цикл:
1. [math]\displaystyle{ r \gets r + 1 }[/math];
2. Найти строку с максимальной невязкой в первом доступном столбце:
- [math]\displaystyle{ i \gets \arg\max_{i \in I} |A_{i, J(1)} - [UV]{i, J(1)}| }[/math];
3. Найти столбец с максимальной невязкой в найденной строке:
- [math]\displaystyle{ j \gets \arg\max{j \in J} |A_{ij} - [UV]{ij}| }[/math];
4. Проверить критерий остановки:
- Если
- [math]\displaystyle{ |(A - UV){ij}| \cdot \sqrt{(m - r)(n - r)} \lt \varepsilon |UV|F }[/math],
то- [math]\displaystyle{ r \gets r - 1 }[/math],
- выйти из цикла;
5. Обновить факторы:
- [math]\displaystyle{ u \gets \dfrac{A^{j} - [UV]^{j}}{\sqrt{\vert A_{ij}\vert}} }[/math],
- [math]\displaystyle{ v \gets \dfrac{(A_{i} - [UV]_{i}) \cdot \sqrt{\vert A_{ij}\vert}}{A_{ij}} }[/math];
6. Расширить матрицы:
- [math]\displaystyle{ U \gets [Uu] }[/math],
- [math]\displaystyle{ V \gets \begin{bmatrix} V \\ v \end{bmatrix} }[/math];
7. Исключить использованные индексы:
- [math]\displaystyle{ I \gets I \setminus \left\{ {i} \right\} }[/math],
- [math]\displaystyle{ J \gets J \setminus \left\{ {j} \right\} }[/math];
Вернуть [math]\displaystyle{ \left( U, V, r \right) }[/math].
Здесь [math]\displaystyle{ A^{(j)} }[/math] обозначает [math]\displaystyle{ j }[/math]-й столбец матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math], а [math]\displaystyle{ A_{(i)} }[/math] — [math]\displaystyle{ i }[/math]-ю строку. Норма Фробениуса [math]\displaystyle{ |UV|_F }[/math] пересчитывается инкрементально за [math]\displaystyle{ O((m + n) r) }[/math] операций, что позволяет сохранить общую сложность алгоритма на уровне [math]\displaystyle{ O((m + n) r^2) }[/math].
В параллельной реализации выбор индексов [math]\displaystyle{ i }[/math] и [math]\displaystyle{ j }[/math] выполняется совместно всеми процессорами с помощью коллективных операций (gather/broadcast), а обновление [math]\displaystyle{ U }[/math] и [math]\displaystyle{ V }[/math] — локально на каждом процессоре для его части строк/столбцов.
Входные параметры: [math]\displaystyle{ m }[/math] — число строк матрицы, [math]\displaystyle{ n }[/math] — число столбцов, [math]\displaystyle{ A(i,j) }[/math] — функция вычисления элемента матрицы, [math]\displaystyle{ p }[/math] — число процессоров, [math]\displaystyle{ rnk }[/math] — номер текущего процессора (от 0 до [math]\displaystyle{ p-1 }[/math]).
Алгоритм 3. Параллельный крестовый метод
- [math]\displaystyle{ {b}_{m} \gets \frac{m}{p} }[/math]
- [math]\displaystyle{ {b}_{n} \gets \frac{n}{p} }[/math]
Если
- [math]\displaystyle{ rnk = 0 }[/math], то
- [math]\displaystyle{ J_* \gets {1, \dots, n} }[/math]
КонецЕсли
- [math]\displaystyle{ I \gets { bm \cdot rnk + 1, \dots, bm \cdot (rnk + 1) } }[/math]
- [math]\displaystyle{ J \gets { bn \cdot rnk + 1, \dots, bn \cdot (rnk + 1) } }[/math]
- [math]\displaystyle{ r \gets 0 }[/math]
повторять
- [math]\displaystyle{ r \gets r + 1 }[/math]
Eсли [math]\displaystyle{ rnk = 0 }[/math], то
- [math]\displaystyle{ j \gets J^*(1) }[/math]
КонецЕсли
- [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}(0, j, j) }[/math]
- [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}\left(\left\lfloor \frac{j - 1}{p} \right\rfloor, V^j, v\right) }[/math]
- [math]\displaystyle{ i \gets \arg\max_{i \in I} \left| A_{ij} - [U v]_i \right| }[/math]
- [math]\displaystyle{ \texttt{Gather}\left( 0, \left\{ i, \vert A_{ij} - [U v]_i \vert \right\}, max_i \right) }[/math]
Eсли [math]\displaystyle{ rnk = 0 }[/math], то
- [math]\displaystyle{ {i, column_maximum} \gets \max_{k \in [1; p]} (max_i[k]) }[/math]
КонецЕсли
- [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}(0, i, i) }[/math]
- [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}\left(\left\lfloor \frac{i - 1}{p} \right\rfloor, U_i, u\right) }[/math]
- [math]\displaystyle{ j \gets \arg\max_{j \in J} \left| A_{ij} - [u V]_j \right| }[/math]
- [math]\displaystyle{ \texttt{Gather}(0, \left\{j, \vert A_{ij} - [u V]_j \vert \right\}, max_j) }[/math]
Eсли [math]\displaystyle{ rnk = 0 }[/math], то
- [math]\displaystyle{ {j, maximum} \gets \max_{k \in [1; p]} (maxj[k]) }[/math]
КонецЕсли
- [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}(0, \left\{j, maximum\right\}, \left\{j, maximum\right\}) }[/math]
- [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}\left(\left\lfloor \frac{j - 1}{p} \right\rfloor, V^j, v\right) }[/math]
- [math]\displaystyle{ u_{upd} \gets \dfrac{(A^j - U v)[b_m \cdot rnk + 1 : b_m \cdot (rnk + 1)]}{\sqrt{ \vert maximum \vert }} }[/math]
- [math]\displaystyle{ v_{upd} \gets \dfrac{(A_i - u V)[b_n \cdot rnk + 1 : b_n \cdot (rnk + 1)] \cdot \sqrt{ \vert maximum \vert }}{maximum} }[/math]
- [math]\displaystyle{ U \gets [U u_{upd}] }[/math]
- [math]\displaystyle{ V \gets \begin{bmatrix} V \\ v_{upd} \end{bmatrix} }[/math]
- [math]\displaystyle{ I \gets I \setminus \left\{ i \right\} }[/math]
- [math]\displaystyle{ J \gets J \setminus \left\{ j \right\} }[/math]
Eсли [math]\displaystyle{ rnk = 0 }[/math], то
- [math]\displaystyle{ J_* \gets J_* \setminus \left\{ j \right\} }[/math]
КонецЕсли
до тех пор, пока
- [math]\displaystyle{ \operatorname{tol} \vert \vert UV \vert \vert _F \lt |maximum| \cdot \sqrt{(m - r)(n - r)} }[/math]
Вернуть [math]\displaystyle{ (U, V, r) }[/math]
Функция [math]\displaystyle{ \texttt{Broadcast}\left( i,a,b \right) }[/math] рассылает переменную a с процессора [math]\displaystyle{ i }[/math] в переменную [math]\displaystyle{ b }[/math] всех процессоров; функция [math]\displaystyle{ \texttt{Gather}\left( i,a,b \right) }[/math] собирает переменную [math]\displaystyle{ a }[/math] всех процессоров в переменную [math]\displaystyle{ b }[/math] (таким образом, [math]\displaystyle{ b }[/math] массив из переменных [math]\displaystyle{ a }[/math] процессора [math]\displaystyle{ i }[/math].
Пересчёт нормы текущего приближения легко осуществляется параллельно в условиях реализованного в алгоритме распределения по процессорам матриц [math]\displaystyle{ U }[/math] и [math]\displaystyle{ V }[/math]. Каждый процессор может вычислять векторы
- [math]\displaystyle{ x_{rnk} = u^T[b_m \cdot rnk + 1 : b_m \cdot (rnk + 1)] \cdot U[b_m \cdot rnk + 1 : b_m \cdot (rnk + 1), :] }[/math],
- [math]\displaystyle{ y_{rnk} = v^T[b_n \cdot rnk + 1 : b_n \cdot (rnk + 1)] \cdot V[:, b_n \cdot rnk + 1 : b_n \cdot (rnk + 1)] }[/math].
Находим суммы [math]\displaystyle{ x = \sum_{rnk=0}^{p} x_{rnk} }[/math], [math]\displaystyle{ y = \sum_{rnk=0}^{p} y_{rnk} }[/math], каждую с помощью одной операции коллективного взаимодействия процессоров. Вычисляем их скалярное произведение [math]\displaystyle{ (x, y) }[/math]. Очевидно, что [math]\displaystyle{ (x, y) = (U^T u, V v^T) }[/math].
Слагаемые [math]\displaystyle{ (V v^T, U^T u) }[/math] и [math]\displaystyle{ ||u||_2^2 ||v||_2^2 }[/math], требуемые для пересчёта нормы, вычисляются аналогично.
Для систем с общей памятью алгоритм аналогичен, но не требует пересылок данных и распределения матриц между процессорами. Для гибридных систем легко получить комбинацию алгоритмов.
Каждый процессор, кроме первого, в данном алгоритме выполняет [math]\displaystyle{ O\left(\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r^2\right) }[/math] операций и вычисляет [math]\displaystyle{ O\left(\left(\left\lceil \frac{m}{p} \right\rceil + \left\lceil \frac{n}{p} \right\rceil\right) r\right) }[/math] элементов матрицы. Первый процессор дополнительно выполняет [math]\displaystyle{ O(rp) }[/math] операций.
Литература
- ↑ S. A. Goreinov, E. E. Tyrtyshnikov, and N. L. Zamarashkin,“Pseudoskeleton Approximations of Matrices,”Dokl. Akad. Nauk343(2), 151–152 (1995) [Dokl. Math.52(1), 18–19 (1995)]
- ↑ E. Tyrtyshnikov, “Incomplete Cross Approximation in theMosaic-Skeleton Method,” Computing64(4),367–380 (2000).
- ↑ Zhao, Kezhong & Vouvakis, M.N. & Lee, Jin-Fa. (2005). The Adaptive Cross Approximation Algorithm for Accelerated Method of Moments Computations of EMC Problems. Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on. 47. 763 - 773. 10.1109/TEMC.2005.857898.
- ↑ Желтков, Д.А. Параллельная реализация матричного крестового метода // Д.А. Желтков, Е.Е. Тыртышников // ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ: НОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. - 2015. № 3 16. - 369-375.