Нахождение частных сумм элементов массива сдваиванием: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [досмотренная версия] |
Frolov (обсуждение | вклад) ещё категория |
ASA (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]] | Основные авторы описания: [[Участник:Frolov|А.В.Фролов]] | ||
== | == Свойства и структура алгоритма == | ||
=== Общее описание алгоритма === | === Общее описание алгоритма === | ||
| Строка 7: | Строка 7: | ||
'''Метод сдваивания''' используется в качестве быстрого варианта вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового получения частичных сумм). Получил распространение благодаря наименьшей из возможных высоте алгоритма. | '''Метод сдваивания''' используется в качестве быстрого варианта вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового получения частичных сумм). Получил распространение благодаря наименьшей из возможных высоте алгоритма. | ||
=== Математическое описание === | === Математическое описание алгоритма === | ||
Исходные данные: одномерный массив <math>n</math> чисел. | Исходные данные: одномерный массив <math>n</math> чисел. | ||
| Строка 26: | Строка 26: | ||
Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют элементарные бинарные (всего <math>\frac{n}{2} log_2 n</math>) вычисления сумм. | Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют элементарные бинарные (всего <math>\frac{n}{2} log_2 n</math>) вычисления сумм. | ||
=== | === Схема реализации последовательного алгоритма === | ||
В описанном виде суммирование сдваиванием не используют при последовательной реализации, поскольку кроме усложнения общей схемы алгоритма и резкого роста потребности в памяти, нужной для хранения промежуточных данных, сам по себе алгоритм содержит подавляющее большинство [[%D0%93%D0%BB%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9#.D0.98.D0.B7.D0.B1.D1.8B.D1.82.D0.BE.D1.87.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.B2.D1.8B.D1.87.D0.B8.D1.81.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F|избыточных вычислений]]: по сравнению с последовательным алгоритмом нахождения частных сумм количество операций больше в <math>\frac{1}{2} log_2 n</math> раз. | В описанном виде суммирование сдваиванием не используют при последовательной реализации, поскольку кроме усложнения общей схемы алгоритма и резкого роста потребности в памяти, нужной для хранения промежуточных данных, сам по себе алгоритм содержит подавляющее большинство [[%D0%93%D0%BB%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9#.D0.98.D0.B7.D0.B1.D1.8B.D1.82.D0.BE.D1.87.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.B2.D1.8B.D1.87.D0.B8.D1.81.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F|избыточных вычислений]]: по сравнению с последовательным алгоритмом нахождения частных сумм количество операций больше в <math>\frac{1}{2} log_2 n</math> раз. | ||
| Строка 36: | Строка 36: | ||
=== Информационный граф === | === Информационный граф === | ||
=== | === Ресурс параллелизма алгоритма === | ||
Для вычисления частичных сумм массива порядка <math>n</math> методом сдваивания в параллельном варианте требуется последовательно выполнить <math>\lceil \log_2 n \rceil</math> ярусов с одинаковым (<math>\frac{n}{2}</math>) количеством операций суммирования. | Для вычисления частичных сумм массива порядка <math>n</math> методом сдваивания в параллельном варианте требуется последовательно выполнить <math>\lceil \log_2 n \rceil</math> ярусов с одинаковым (<math>\frac{n}{2}</math>) количеством операций суммирования. | ||
При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод сдваивания относится к алгоритмам с ''логарифмической сложностью''. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет ''линейной''. | При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод сдваивания относится к алгоритмам с ''логарифмической сложностью''. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет ''линейной''. | ||
=== | === Входные и выходные данные алгоритма === | ||
Входные данные: массив <math>x</math> (элементы <math>x_i</math>). | Входные данные: массив <math>x</math> (элементы <math>x_i</math>). | ||
| Строка 57: | Строка 57: | ||
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является <math>\frac{n}{2}</math> (отношение линейно-логарифмической к логарифмической). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — логарифмическая :<math>\frac{1}{2} log_2 n</math>. Это, однако обусловлено избыточностью вычислений. При этом алгоритм полностью детерминирован. Дуги информационного графа нелокальны, от яруса к ярусу наблюдается показательный рост их длины, при любом размещении вершин графа. | Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является <math>\frac{n}{2}</math> (отношение линейно-логарифмической к логарифмической). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — логарифмическая :<math>\frac{1}{2} log_2 n</math>. Это, однако обусловлено избыточностью вычислений. При этом алгоритм полностью детерминирован. Дуги информационного графа нелокальны, от яруса к ярусу наблюдается показательный рост их длины, при любом размещении вершин графа. | ||
== Программная реализация == | == Программная реализация алгоритма == | ||
=== Особенности реализации последовательного алгоритма === | === Особенности реализации последовательного алгоритма === | ||
=== | === Локальность данных и вычислений === | ||
==== | ==== Локальность реализации алгоритма ==== | ||
===== | ===== Структура обращений в память и качественная оценка локальности ===== | ||
===== Количественная оценка локальности ===== | ===== Количественная оценка локальности ===== | ||
=== Возможные способы и особенности реализации | === Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | ||
=== Масштабируемость алгоритма и его реализации === | === Масштабируемость алгоритма и его реализации === | ||
==== | ==== Масштабируемость алгоритма ==== | ||
==== | ==== Масштабируемость реализации алгоритма ==== | ||
=== Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма === | === Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма === | ||
=== Выводы для классов архитектур === | === Выводы для классов архитектур === | ||
=== Существующие реализации алгоритма === | === Существующие реализации алгоритма === | ||
[[Категория:Статьи в работе]] | [[Категория:Статьи в работе]] | ||
[[Категория:Метод сдваивания]] | [[Категория:Метод сдваивания]] | ||
[[Категория:Алгоритмы с избыточными вычислениями]] | [[Категория:Алгоритмы с избыточными вычислениями]] | ||
Версия от 14:39, 28 июля 2015
Основные авторы описания: А.В.Фролов
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Метод сдваивания используется в качестве быстрого варианта вычисления длинных последовательностей ассоциативных операций (например, массового получения частичных сумм). Получил распространение благодаря наименьшей из возможных высоте алгоритма.
Математическое описание алгоритма
Исходные данные: одномерный массив [math]\displaystyle{ n }[/math] чисел.
Вычисляемые данные: частичные суммы первых [math]\displaystyle{ i }[/math] элементов массива, где [math]\displaystyle{ i }[/math] принимает все значения от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ n }[/math].
Формулы метода: элементы на первом этапе алгоритма разбиваются на пары. В каждой из пар находится сумма составляющих её соседних элементов. На следующем этапе на пары разбиваются уже эти суммы (и те элементы, которые не вошли в уже вычисленные суммы), и т. д. По нахождению тех частных сумм, где [math]\displaystyle{ i }[/math] является степенью двойки, формулы повторяют Нахождение суммы элементов массива сдваиванием. Однако, кроме этого, для каждой пары (например, для нахождения суммы [math]\displaystyle{ x_i+...+x_{i+k} }[/math] и [math]\displaystyle{ x_{i+k+1} +...+ x_{i+2k} }[/math])дополнительно вычисляются все частные суммы от [math]\displaystyle{ x_i+...+x_{i+k+1} }[/math] до [math]\displaystyle{ x_i+...+x_{i+2k-1} }[/math].
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительное ядро последовательно-параллельного метода суммирования можно составить из элементарных бинарных (всего [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} log_2 n }[/math]) вычислений сумм.
Макроструктура алгоритма
Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть метода составляют элементарные бинарные (всего [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} log_2 n }[/math]) вычисления сумм.
Схема реализации последовательного алгоритма
В описанном виде суммирование сдваиванием не используют при последовательной реализации, поскольку кроме усложнения общей схемы алгоритма и резкого роста потребности в памяти, нужной для хранения промежуточных данных, сам по себе алгоритм содержит подавляющее большинство избыточных вычислений: по сравнению с последовательным алгоритмом нахождения частных сумм количество операций больше в [math]\displaystyle{ \frac{1}{2} log_2 n }[/math] раз.
Последовательная сложность алгоритма
Для вычисления суммы массива, состоящего из [math]\displaystyle{ n }[/math] элементов, количество операций равно [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} log_2 n }[/math]. Поэтому алгоритм должен быть отнесён к алгоритмам линейно-логарифмической сложности по количеству последовательных операций.
Информационный граф
Ресурс параллелизма алгоритма
Для вычисления частичных сумм массива порядка [math]\displaystyle{ n }[/math] методом сдваивания в параллельном варианте требуется последовательно выполнить [math]\displaystyle{ \lceil \log_2 n \rceil }[/math] ярусов с одинаковым ([math]\displaystyle{ \frac{n}{2} }[/math]) количеством операций суммирования. При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, метод сдваивания относится к алгоритмам с логарифмической сложностью. При классификации по ширине ЯПФ его сложность будет линейной.
Входные и выходные данные алгоритма
Входные данные: массив [math]\displaystyle{ x }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ x_i }[/math]).
Дополнительные ограничения: отсутствуют.
Объём входных данных: [math]\displaystyle{ n }[/math].
Выходные данные: все частичные суммы первых [math]\displaystyle{ i }[/math] элементов массива, где [math]\displaystyle{ i }[/math] принимает все значения от [math]\displaystyle{ 1 }[/math] до [math]\displaystyle{ n }[/math].
Объём выходных данных: [math]\displaystyle{ n }[/math].
Свойства алгоритма
Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является [math]\displaystyle{ \frac{n}{2} }[/math] (отношение линейно-логарифмической к логарифмической). При этом вычислительная мощность алгоритма, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных — логарифмическая :[math]\displaystyle{ \frac{1}{2} log_2 n }[/math]. Это, однако обусловлено избыточностью вычислений. При этом алгоритм полностью детерминирован. Дуги информационного графа нелокальны, от яруса к ярусу наблюдается показательный рост их длины, при любом размещении вершин графа.