Уровень алгоритма

Участник:Nikita270a: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нет описания правки
Нет описания правки
 
Строка 1: Строка 1:
{{algorithm
{{algorithm
| name              = Алгоритм Ланцоша с полной переортогонализацией
| name              = Алгоритм Ланцоша с полной переортогонализацией
| serial_complexity = <math>O(n^2)</math>
| serial_complexity = <math>O(n^2)+O(nk^2) </math>
| pf_height        = <math>O(k)</math>
| pf_width          = <math>O(n^2)</math>
| input_data        = <math>\frac{n(n + 1)}{2}</math>
| input_data        = <math>\frac{n(n + 1)}{2}</math>
| output_data      = <math>k(n + 1)</math>
| output_data      = <math>k(n + 1)</math>
Строка 17: Строка 15:
В отличие от прямых алгоритмов требует мешьше памяти и мощности, что является несомненным плюсом для больших матриц.  
В отличие от прямых алгоритмов требует мешьше памяти и мощности, что является несомненным плюсом для больших матриц.  


Несмотря на свою скорость работы и экономию памяти, сначала не был популярным алгоритмом из – за недостаточной вычислительной устойчивости. В 1970 году Ojalvo и Newman показали способ сделать алгоритм достаточно устойчивым. В этой же статье алгоритм был применен к расчету инженерной конструкции с большим количеством узлов, которые подвергались динамической нагрузке.
Несмотря на свою скорость работы и экономию памяти, сначала не был популярным алгоритмом из – за недостаточной вычислительной устойчивости. В 1970 году Ojalvo и Newman [http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.5878?journalCode=aiaaj] показали способ сделать алгоритм достаточно устойчивым. В этой же статье алгоритм был применен к расчету инженерной конструкции с большим количеством узлов, которые подвергались динамической нагрузке.




Строка 33: Строка 31:


Метод осуществляет поиск трехдиагональной симметричной матрицы <math>T_k=Q_k^TAQ_k</math>. Причем собственные значения <math>T_k</math> таковы, что приближают собственные значения исходной матрицы <math>A</math>. То есть на каждом <math>k</math>-м шаге из ортонормированных векторов Ланцоша строится матрица <math>Q_k = [q_1,q_2,...,q_k]</math> и в качестве приближенных собственных значений матрицы <math>A</math> принимаются числа Ритца.
Метод осуществляет поиск трехдиагональной симметричной матрицы <math>T_k=Q_k^TAQ_k</math>. Причем собственные значения <math>T_k</math> таковы, что приближают собственные значения исходной матрицы <math>A</math>. То есть на каждом <math>k</math>-м шаге из ортонормированных векторов Ланцоша строится матрица <math>Q_k = [q_1,q_2,...,q_k]</math> и в качестве приближенных собственных значений матрицы <math>A</math> принимаются числа Ритца.
Из-за ошибок округления вектора <math> A^{k-1}x_1 </math>, формирующие подпространство Крылова, становятся неортогональными. Чтобы решить данную прорблему, проводят переортогонализацию методом Грамма-Шмидта.


== Вычислительное ядро алгоритма ==
== Вычислительное ядро алгоритма ==
Строка 42: Строка 42:


В данном случае первая операция выполняет умножение симметричной матрицы <math>A</math> размерности <math>n</math>X<math>n</math> на <math>n</math>-мерный вектор <math>q</math>, вследствие чего вычислительная сложность выполнения заключается в <math>n^2</math> умножений и <math>n^2-n</math> сложений. Второе действие является процессом ортогонализации Грама-Шмидта. В последнем действии вычисляются <math>k^2n+k(n+2)</math> умножений и <math>k^2n + k(n + 1) + 2</math> операций сложения.
В данном случае первая операция выполняет умножение симметричной матрицы <math>A</math> размерности <math>n</math>X<math>n</math> на <math>n</math>-мерный вектор <math>q</math>, вследствие чего вычислительная сложность выполнения заключается в <math>n^2</math> умножений и <math>n^2-n</math> сложений. Второе действие является процессом ортогонализации Грама-Шмидта. В последнем действии вычисляются <math>k^2n+k(n+2)</math> умножений и <math>k^2n + k(n + 1) + 2</math> операций сложения.
== Макроструктура алгоритма ==
*1. Скалярное произведение: <math> (x,y) </math>.
*2. Суммирование:  <math> x+\alpha y </math>.


== Схема ==
== Схема ==
Строка 62: Строка 68:
</math>
</math>


==Вычислительная сложность==
Количество операций складывается из количества операций для классического метода Ланцоша[https://books.google.ru/books?id=T8EPBwAAQBAJ&pg=PA242&lpg=PA242&dq=lanczos+algorithm+complexity&source=bl&ots=kWVnVP_uJp&sig=a-4GTEt6vRE8YhR1R6dOPwvOSIk&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwiQ2u3U4-LPAhWvbZoKHe0QBaw4ChDoAQg7MAY#v=onepage&q=lanczos%20algorithm%20complexity&f=false] и и количества операций для переортогонализации методом грамма-Шмидта[http://stackoverflow.com/questions/27986225/computational-complexity-of-gram-schmidt-orthogonalization-algorithm].
Итоговая сложность составляет <math>O(n^2)+O(nk^2) </math>.


== Информационный граф ==
== Информационный граф ==


[[Файл:Graph.jpg]]
[[Файл:Graph.jpg]]
== Входные и выходные данные==
На вход принимается сама матрица <math> A \in R^{n \times n}</math>, случайный вектор <math>b</math> (впрочем возможен вариант, при котором этот вектор генерируется случайным образом).
Ввиду симметричности входной матрицы достаточно передать лишь ее верхнюю треугольную матрицу, что дает объем входных данных <math>\frac{n(n + 1)}{2}</math>.
Выходными данными для <math>j</math>ой итерации являются вектор <math> Aq_j </math> и собственное число <math> \lambda </math>. Общий объем выходных данных <math>k(n+1)</math>.
==Свойства алгоритма==
Если <math>A</math> эрмитова матрица, то алгоритм Ланцоша и Bi-Lanczos сходятся к одинаковым трехдиагональным матрицам ритца[http://ta.twi.tudelft.nl/nw/users/vuik/papers/DUT-TWI-96-44.pdf].
При реализации классического алгоритма Ланцоша возникает большая погрешность при округлении. Вариант с полной переортогонализацией позволяет избегать больших погрешностей, однако является более ресурсоемким. Существует промежуточный вариант с частичной переортогонализацией.
Алгоритм может завершить свою работу досрочно, когда найденные собственные значения будут достаточно близки к целевым.
==Реусурс параллелизма алгоритма==
Хотя алгоритм является итерационным, возможно распараллелить внутри каждой итерации умножение матрицы на вектор и процесс переортогонализации Грамма-Шмидта.
Процесс умножения матриц matvec можно распараллелить несколькими способами[https://eprint.iacr.org/2011/416.pdf].


== Библиотеки реализующие алгоритм==
== Библиотеки реализующие алгоритм==
Строка 77: Строка 110:
GrapLab https://turi.com/products/create/open_source.html C++
GrapLab https://turi.com/products/create/open_source.html C++


С частично переортаганализацией
С частичной переортаганализацией


LANSO/PLANSO http://web.cs.ucdavis.edu/~bai/ET/lanczos_methods/overview_PLANSO.html Fortran (уже распараллелена)
LANSO/PLANSO http://web.cs.ucdavis.edu/~bai/ET/lanczos_methods/overview_PLANSO.html Fortran (уже распараллелена)
== Литература ==
Ojalvo, I.U. and Newman, M., "Vibration modes of large structures by an automatic matrix-reduction method", AIAA J., 8 (7), 1234–1239 (1970).

Текущая версия от 22:14, 17 октября 2016


Алгоритм Ланцоша с полной переортогонализацией
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность [math]\displaystyle{ O(n^2)+O(nk^2) }[/math]
Объём входных данных [math]\displaystyle{ \frac{n(n + 1)}{2} }[/math]
Объём выходных данных [math]\displaystyle{ k(n + 1) }[/math]


Авторы: Алексейчук Н.Н 616, Ястребов К.С. 609.

Общее описание алгоритма.

Алгоритм Ланцоша ищет собвственные значения и собственные векторы для симетричной матрицы A вещественных чисел. Является итерацонным алгоритмом. Алгоритм Ланцоша использует степенной метод ([math]\displaystyle{ b_{k+1} = \frac{Ab_k}{||Ab_k||} }[/math]) для поиска наибольших собственных значений и векторов матриц.

В отличие от прямых алгоритмов требует мешьше памяти и мощности, что является несомненным плюсом для больших матриц.

Несмотря на свою скорость работы и экономию памяти, сначала не был популярным алгоритмом из – за недостаточной вычислительной устойчивости. В 1970 году Ojalvo и Newman [1] показали способ сделать алгоритм достаточно устойчивым. В этой же статье алгоритм был применен к расчету инженерной конструкции с большим количеством узлов, которые подвергались динамической нагрузке.


Математическое описание алгоритма

Памятка: Степенной метод нахождения наибольшего собственного числа матрицы можно сформулировать в предельном виде: если [math]\displaystyle{ b_0 }[/math] – случайный вектор, и [math]\displaystyle{ b_n+1 = Ab_n }[/math], тогда для больших чисел n предел [math]\displaystyle{ x_n/||x_n|| }[/math] стремится к нормированному наибольшему собственному вектору.

Алгоритм Ланцоша комбинирует метод Ланцоша для нахождения крыловского подпространства и метод Релэя – Ритца.

Подпространство Крылова для степенного метода: [math]\displaystyle{ K_m(v,A) = span[x_1, Ax_1, A^2x_1, ..., A^{k-1}x_1] }[/math]

В качестве входных данных для алгоритма Ланцоша подаются квадратная матрица размерности [math]\displaystyle{ n }[/math]X[math]\displaystyle{ n }[/math]: [math]\displaystyle{ A=A^T }[/math]; а так же вектор начального приближения [math]\displaystyle{ b }[/math].

Метод осуществляет поиск трехдиагональной симметричной матрицы [math]\displaystyle{ T_k=Q_k^TAQ_k }[/math]. Причем собственные значения [math]\displaystyle{ T_k }[/math] таковы, что приближают собственные значения исходной матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math]. То есть на каждом [math]\displaystyle{ k }[/math]-м шаге из ортонормированных векторов Ланцоша строится матрица [math]\displaystyle{ Q_k = [q_1,q_2,...,q_k] }[/math] и в качестве приближенных собственных значений матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math] принимаются числа Ритца.

Из-за ошибок округления вектора [math]\displaystyle{ A^{k-1}x_1 }[/math], формирующие подпространство Крылова, становятся неортогональными. Чтобы решить данную прорблему, проводят переортогонализацию методом Грамма-Шмидта.

Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительным ядром данного алгоритма являются следующие шаги:

  • 1. [math]\displaystyle{ Aq=( \sum\nolimits_{i=^n}a_{1i}q_i, \sum\nolimits_{i=2}^na_{2i}q_i, ..., \sum\nolimits_{i=1}^na_{ni}q_i) }[/math].
  • 2. [math]\displaystyle{ z=z-\sum\nolimits_{i=1}^{k}(z^Tq_i)q_i. }[/math]

В данном случае первая операция выполняет умножение симметричной матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math] размерности [math]\displaystyle{ n }[/math]X[math]\displaystyle{ n }[/math] на [math]\displaystyle{ n }[/math]-мерный вектор [math]\displaystyle{ q }[/math], вследствие чего вычислительная сложность выполнения заключается в [math]\displaystyle{ n^2 }[/math] умножений и [math]\displaystyle{ n^2-n }[/math] сложений. Второе действие является процессом ортогонализации Грама-Шмидта. В последнем действии вычисляются [math]\displaystyle{ k^2n+k(n+2) }[/math] умножений и [math]\displaystyle{ k^2n + k(n + 1) + 2 }[/math] операций сложения.

Макроструктура алгоритма

  • 1. Скалярное произведение: [math]\displaystyle{ (x,y) }[/math].
  • 2. Суммирование: [math]\displaystyle{ x+\alpha y }[/math].


Схема

Input: A, b (random vector with unit norm)

[math]\displaystyle{ \begin{align} q_1 = b/||b||_2, \beta_0 = 0, q_0 = 0 \\ j = 1 ,...,k \\ q_1&=b/||b||,\beta_0=0,q_o=0. \\ z&=Aq_j, \\ \alpha_j&=q_j^Tz, \\ z&=z-\alpha_jq_j-\beta_{j-1}q_{j-1}, \\ \beta&=||z||,\\ q_{j+1}&=z/\beta_j, \quad j \in [1, k]. \end{align} }[/math]


Вычислительная сложность

Количество операций складывается из количества операций для классического метода Ланцоша[2] и и количества операций для переортогонализации методом грамма-Шмидта[3].

Итоговая сложность составляет [math]\displaystyle{ O(n^2)+O(nk^2) }[/math].

Информационный граф

Входные и выходные данные

На вход принимается сама матрица [math]\displaystyle{ A \in R^{n \times n} }[/math], случайный вектор [math]\displaystyle{ b }[/math] (впрочем возможен вариант, при котором этот вектор генерируется случайным образом). Ввиду симметричности входной матрицы достаточно передать лишь ее верхнюю треугольную матрицу, что дает объем входных данных [math]\displaystyle{ \frac{n(n + 1)}{2} }[/math].


Выходными данными для [math]\displaystyle{ j }[/math]ой итерации являются вектор [math]\displaystyle{ Aq_j }[/math] и собственное число [math]\displaystyle{ \lambda }[/math]. Общий объем выходных данных [math]\displaystyle{ k(n+1) }[/math].

Свойства алгоритма

Если [math]\displaystyle{ A }[/math] эрмитова матрица, то алгоритм Ланцоша и Bi-Lanczos сходятся к одинаковым трехдиагональным матрицам ритца[4].

При реализации классического алгоритма Ланцоша возникает большая погрешность при округлении. Вариант с полной переортогонализацией позволяет избегать больших погрешностей, однако является более ресурсоемким. Существует промежуточный вариант с частичной переортогонализацией.

Алгоритм может завершить свою работу досрочно, когда найденные собственные значения будут достаточно близки к целевым.

Реусурс параллелизма алгоритма

Хотя алгоритм является итерационным, возможно распараллелить внутри каждой итерации умножение матрицы на вектор и процесс переортогонализации Грамма-Шмидта.

Процесс умножения матриц matvec можно распараллелить несколькими способами[5].


Библиотеки реализующие алгоритм

The IETL Project http://www.comp-phys.org/software/ietl/ C++

NAG Library http://www.nag.com/content/nag-library C, C++, Fortran, C#, MATLAB, R

ARPACK https://people.sc.fsu.edu/~jburkardt/m_src/arpack/arpack.html MATLAB

GrapLab https://turi.com/products/create/open_source.html C++

С частичной переортаганализацией

LANSO/PLANSO http://web.cs.ucdavis.edu/~bai/ET/lanczos_methods/overview_PLANSO.html Fortran (уже распараллелена)

Литература

Ojalvo, I.U. and Newman, M., "Vibration modes of large structures by an automatic matrix-reduction method", AIAA J., 8 (7), 1234–1239 (1970).