Участник:Филимонова Юлия/Решение начальной задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта 4-го порядка: различия между версиями
Jul305a (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
Jul305a (обсуждение | вклад) |
||
| (не показано 5 промежуточных версий 2 участников) | |||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
{{algorithm | {{algorithm | ||
| name = Решение задачи Коши для системы ОДУ методом Рунге-Кутты | | name = Решение задачи Коши для системы ОДУ методом Рунге-Кутты | ||
| serial_complexity = <math> | | serial_complexity = <math>4 m n</math> | ||
| pf_height = <math>O(m)</math> | | pf_height = <math>O(m)</math> | ||
| pf_width = <math>O(n)</math> | | pf_width = <math>O(n)</math> | ||
| Строка 57: | Строка 57: | ||
Приведем здесь псевдокод | Приведем здесь псевдокод | ||
<source> | |||
начало; | начало; | ||
ввод начальных параметров ( | ввод начальных параметров (x[0], t0, t1, m); | ||
цикл по числу узлов сетки: | цикл по числу узлов сетки: i = 1..m-1 | ||
цикл по числу стадий: | цикл по числу стадий: j = 1..4 | ||
цикл по числу компонент вектора | цикл по числу компонент вектора x: k = 1..n | ||
вычисление коэффициентов | вычисление коэффициентов K[j,k,i]; | ||
конец цикла по | конец цикла по k; | ||
конец цикла по | конец цикла по j; | ||
цикл по числу компонент вектора | цикл по числу компонент вектора x: k = 1..n | ||
вычисление | вычисление x[k,i+1]; | ||
конец цикла по | конец цикла по k; | ||
цикл по числу компонент вектора | цикл по числу компонент вектора x: k = 1..n | ||
сохранение | сохранение x[k,i] = x[k,i+1]; | ||
конец цикла по | конец цикла по k; | ||
вывод | вывод x[i+1]; | ||
конец цикла по | конец цикла по n; | ||
конец; | конец; | ||
</source> | |||
=== Последовательная сложность алгоритма === | === Последовательная сложность алгоритма === | ||
| Строка 133: | Строка 137: | ||
Метод Рунге-Кутты 4-го порядка обладает следующими свойствами: | Метод Рунге-Кутты 4-го порядка обладает следующими свойствами: | ||
1. Эти метод (как и все семейство методов Рунге-Кутты) является | 1. Эти метод (как и все семейство методов Рунге-Кутты) является одношаговым: чтобы найти <math>x_{n+1}</math>, нужна информация об одной предыдущей точке <math>(t_i, x_i)</math>. (Это позволяет в любой момент изменить шаг интегрирования.) | ||
2. Метод согласуются с рядом Тейлора вплоть до членов порядка 4h. (Используя большее количество вспомогательных точек, можно увеличить точность метода.) | 2. Метод согласуются с рядом Тейлора вплоть до членов порядка <math>4h</math>. (Используя большее количество вспомогательных точек, можно увеличить точность метода.) | ||
3. Метод не требуют вычисления производных от функции <math>f(t,x)</math>, а только | 3. Метод не требуют вычисления производных от функции <math>f(t,x)</math>, а только требует вычисления самой функции. | ||
Точность и устойчивость метода достаточна для широкого круга задач, метод прост в реализации - эти достоинства определили популярность метода среди большого количества исследователей. | Точность и устойчивость метода достаточна для широкого круга задач, метод прост в реализации - эти достоинства определили популярность метода среди большого количества исследователей. | ||
Число операций алгоритма равно <math>m (n - 1)</math>, общее число входных и выходных данных равно <math>mn + m + n + 3</math>. Следовательно, вычислительная мощность алгоритма | |||
<math>\frac{mn-m}{mn + m + n + 3} \longrightarrow 1</math> при увеличении размерности задачи. | |||
== Программная реализация алгоритма == | == Программная реализация алгоритма == | ||
Текущая версия от 15:26, 28 ноября 2016
| Решение задачи Коши для системы ОДУ методом Рунге-Кутты | |
| Последовательный алгоритм | |
| Последовательная сложность | [math]\displaystyle{ 4 m n }[/math] |
| Объём входных данных | [math]\displaystyle{ n + 3 }[/math] |
| Объём выходных данных | [math]\displaystyle{ m(n + 1) }[/math] |
| Параллельный алгоритм | |
| Высота ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(m) }[/math] |
| Ширина ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(n) }[/math] |
Основные авторы описания: Филимонова Юлия
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Методы Рунге-Кутты — важное семейство численных алгоритмов решения обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем. Данные итеративные методы явного и неявного приближённого вычисления были разработаны около 1900 года немецкими математиками К. Рунге и М. В. Куттой.
Формально, методом Рунге-Кутты является модифицированный и исправленный метод Эйлера, они представляют собой схемы второго порядка точности. Существуют стандартные схемы третьего порядка, не получившие широкого распространения. Наиболее часто используется и реализована в различных математических пакетах (Maple, MathCAD, Maxima) стандартная схема четвёртого порядка. Классический метод Рунге-Кутты четвёртого порядка столь широко распространён, что его часто называют просто методом Рунге-Кутты, опуская порядок.
Математическое описание алгоритма
Рассмотрим задачу Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений размерности [math]\displaystyle{ n }[/math]
[math]\displaystyle{ \dot{x} = f(t, x),\ t_0 \leqslant t \leqslant t_1,\ x(t_0) = x_0. }[/math]
Здесь [math]\displaystyle{ x(t), x_0 \in \mathbb{R}^n,\ t, t_0, t_1 \in \mathbb{R}, f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^n }[/math].
Введем равномерную сетку
[math]\displaystyle{ t_i = t_0 + ih,\ i = \overline{1, n},\ h = \frac{t_1 - t_0}{m}, }[/math]
[math]\displaystyle{ x(t_i) = x_i. }[/math]
Тогда приближенное значение в последующих точках вычисляется по итерационной формуле
[math]\displaystyle{ x_{i+1} = x_i + \frac{h}{6} (K_1 + 2 K_2 + 2 K_3 + K_4). }[/math]
Вычисление нового значения происходит в четыре стадии:
[math]\displaystyle{ K_1 = f (t_i, x_i), }[/math]
[math]\displaystyle{ K_2 = f (t_i + \frac{h}{2}, x_i + \frac{h}{2} K_1), }[/math]
[math]\displaystyle{ K_3 = f (t_i + \frac{h}{2}, x_i + \frac{h}{2} K_2), }[/math]
[math]\displaystyle{ K_4 = f (t_i + h, x_i + h K_3). }[/math]
Вычислительное ядро алгоритма
В описанной выше вычислительной схеме наиболее трудоемкой является операция обращения к функции [math]\displaystyle{ f }[/math] при вычислении коэффициентов [math]\displaystyle{ K_i }[/math], эта операция является вычислительным ядром.
Макроструктура алгоритма
Макроструктура алгоритма представлена одним шагом итерационного процесса, описанного в пункте 1.2. Основной макрооперацией алгоритма является операция обращения к функции [math]\displaystyle{ f }[/math], и основное внимание будет уделено распараллеливанию этой операции.
Схема реализации последовательного алгоритма
Приведем здесь псевдокод
начало;
ввод начальных параметров (x[0], t0, t1, m);
цикл по числу узлов сетки: i = 1..m-1
цикл по числу стадий: j = 1..4
цикл по числу компонент вектора x: k = 1..n
вычисление коэффициентов K[j,k,i];
конец цикла по k;
конец цикла по j;
цикл по числу компонент вектора x: k = 1..n
вычисление x[k,i+1];
конец цикла по k;
цикл по числу компонент вектора x: k = 1..n
сохранение x[k,i] = x[k,i+1];
конец цикла по k;
вывод x[i+1];
конец цикла по n;
конец;Последовательная сложность алгоритма
В данном алгоритме производится четыре операции обращения к функции [math]\displaystyle{ f }[/math] (порядка [math]\displaystyle{ n m }[/math] арифметических операций) и шестнадцать операций сложения векторов и умножения вектора на число (порядка [math]\displaystyle{ n }[/math] арифметических операций). Поскольку операция обращения к функции является более сложной, то сложность последовательного алгоритма можно считать равной [math]\displaystyle{ 4 n m }[/math].
Информационный граф

Ресурс параллелизма алгоритма
Последовательная схема алгоритма дает основание для организации параллельных вычислений с помощью декомпозиции. Пусть доступно [math]\displaystyle{ p }[/math] процессоров (для определенности будем считать, что размерность системы [math]\displaystyle{ n }[/math] кратна количество процессоров [math]\displaystyle{ p }[/math]: [math]\displaystyle{ n = qp }[/math]). На каждый из процессоров распределяется и вычисляется последовательно [math]\displaystyle{ q }[/math] компонент векторов коэффициентов. Далее расчеты проводятся следующим образом:
1. На каждом процессоре вычисляется q соответствующих компонент вектора [math]\displaystyle{ [K_1] }[/math] по формуле [math]\displaystyle{ [K_1] = [f(t_i, x_i)] }[/math]. Проводится сборка вектора [math]\displaystyle{ [K_1] }[/math] целиком на каждом процессоре.
2-4. Аналогичным образом проводятся вычисления и сборка векторов [math]\displaystyle{ [K_2], [K_3], [K_4] }[/math].
5. На каждом процессоре вычисляется q соответствующих компонент вектора [math]\displaystyle{ [x_{i+1}] }[/math] по формуле [math]\displaystyle{ [x_{i+1}] = [x_i] + \frac{h}{6} ([K_1] + 2 [K_2] + 2 [K_3] + [K_4]) }[/math]. Проводится сборка вектора [math]\displaystyle{ [x_{i+1}] }[/math] целиком на каждом процессоре. Если вычисления не закончены, то сохраняется [math]\displaystyle{ [x_{i}] = [x_{i+1}] }[/math], осуществляется переход на 1.
Алгоритм производит четыре обращения к функции [math]\displaystyle{ f }[/math], шестнадцать операций сложения векторов и умножения вектора на число и четыре операции глобальной сборки векторов. Сложность алгоритма по высоте составляет [math]\displaystyle{ m }[/math], а сложность по ширине равна [math]\displaystyle{ q = \frac{n}{p} }[/math].
Входные и выходные данные алгоритма
На вход алгоритма подаются следующие данные:
- вектор начальных значений [math]\displaystyle{ x_0 }[/math] размерности [math]\displaystyle{ n }[/math];
- границы временного интервала [math]\displaystyle{ t_0, t_1 }[/math];
- частота дискретизации [math]\displaystyle{ m }[/math].
Общий размер входных данных [math]\displaystyle{ n + 3 }[/math].
На выходе получаются следующие данные:
- вектор времени [math]\displaystyle{ t }[/math] размерности [math]\displaystyle{ m }[/math];
- матрица значений [math]\displaystyle{ x }[/math] ([math]\displaystyle{ m }[/math] векторов длины [math]\displaystyle{ n }[/math]) размерности [math]\displaystyle{ m n }[/math].
Общий размер выходных данных [math]\displaystyle{ m + m n }[/math].
Свойства алгоритма
Метод Рунге-Кутты 4-го порядка обладает следующими свойствами:
1. Эти метод (как и все семейство методов Рунге-Кутты) является одношаговым: чтобы найти [math]\displaystyle{ x_{n+1} }[/math], нужна информация об одной предыдущей точке [math]\displaystyle{ (t_i, x_i) }[/math]. (Это позволяет в любой момент изменить шаг интегрирования.)
2. Метод согласуются с рядом Тейлора вплоть до членов порядка [math]\displaystyle{ 4h }[/math]. (Используя большее количество вспомогательных точек, можно увеличить точность метода.)
3. Метод не требуют вычисления производных от функции [math]\displaystyle{ f(t,x) }[/math], а только требует вычисления самой функции.
Точность и устойчивость метода достаточна для широкого круга задач, метод прост в реализации - эти достоинства определили популярность метода среди большого количества исследователей.
Число операций алгоритма равно [math]\displaystyle{ m (n - 1) }[/math], общее число входных и выходных данных равно [math]\displaystyle{ mn + m + n + 3 }[/math]. Следовательно, вычислительная мощность алгоритма [math]\displaystyle{ \frac{mn-m}{mn + m + n + 3} \longrightarrow 1 }[/math] при увеличении размерности задачи.
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Стандартная схема четвертого порядка реализована в различных математических пакетах: Maple (rkf45), MathCAD (rkfixed), Matlab (ode45).
Литература
[1] А. В. Старченко, Высокопроизводительные вычисления на кластерах, Издательство Томского университета, 2013, 127-130 с
[2] Л. П. Фельдман, И. А. Назарова, Параллельные алгоритмы численного решения задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений [1]
[3] Е. Е. Тыртышников, Методы численного анализа, М, Академия, 2007
[4] Ващенко Г.В. Явные методы типа Рунге-Кутты и их параллельные аналоги // Численные методы, программные системы и комплексы программ. [2]