Алгоритм продольно-поперечной прогонки: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
Ateina (обсуждение | вклад) Новая страница: «== Свойства и структура алгоритма == ===Общее описание алгоритма=== Продольно–поперечная с…» |
Ateina (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| Строка 6: | Строка 6: | ||
=== Вычислительное ядро алгоритма === | === Вычислительное ядро алгоритма === | ||
Вычислительное ядро алгоритма можно считать состоящим из двух частей – продольной прогонки и поперечной прогонки. В свою очередь, каждая из этих прогонок состоит из прямого и обратного хода. В прямом ходе вычислительное ядро составляют последовательности операций деления, умножения и сложения/вычитания. В обратном ходе в вычислительном ядре остаются только последовательности умножения и сложения. | Вычислительное ядро алгоритма можно считать состоящим из двух частей – продольной прогонки и поперечной прогонки. В свою очередь, каждая из этих прогонок состоит из прямого и обратного хода. В прямом ходе вычислительное ядро составляют последовательности операций деления, умножения и сложения/вычитания. В обратном ходе в вычислительном ядре остаются только последовательности умножения и сложения. | ||
===Макроструктура алгоритма=== | |||
Алгоритм представляет собой совокупность продольной и поперечной прогонки, а также прямого и обратного хода. | |||
===Схема реализации последовательного алгоритма=== | |||
Последовательность исполнения метода следующая: | |||
Осуществляется прогонка вдоль строк, как это изображено на рисунке 1.1 [4]: | |||
Рисунок 1.1– Прогонка вдоль строк | |||
Затем осуществляется прогонка вдоль столбцов, как это представлено на рисунке 1.2 [4]: | |||
Рисунок 1.2- Прогонка вдоль столбцов | |||
===Последовательная сложность алгоритма=== | |||
Таким образом, при классификации по последовательной сложности продольно–поперечная прогонка относится к алгоритмам с линейной сложностью. | |||
При переходе от слоя <math>j</math> к слою <math>j+1</math> требуется <math>O(\frac{1}{h^{2}})</math> арифметических действий. Чтобы найти <math>y^{j_{0}}</math> при <math>t_{0} = j_{0}\tau</math> по начальным данным требуется, очевидно, <math>O(\frac{1}{h^{2}})j_{0} = O(\frac{1}{\tau h^{2}})</math> операций, то есть число операций пропорционально числу используемых узлов пространственно–временной сетки <math>w_{h\tau}</math>. | |||
Наряду с основными значениями <math>u_{ij}^{k}</math> и <math>u_{i,j}^{k+1}</math> вводится значение на промежуточном слое – <math>u_{ij}^{k+\frac{1}{2}}</math>, что фактически является значением <math>u</math> при <math>t = t_{k+\frac{1}{2}}=t+\frac{\tau}{2}</math>. Благодаря этому, переход на следующий слой осуществляется в два шага. | |||
===Информационный граф=== | |||
===Описание ресурса параллелизма алгоритма=== | |||
Алгоритм метода переменных направлений обладает естественным параллелизмом: можно организовать независимые вычислительные процессы на каждом временном слое. | |||
===Входные и выходные данные алгоритма=== | |||
Входные данные: матрица <math>y</math> (элементы <math>y_{i,j}^{1}, i = 0,...,N_{x}, j = 0,...,N_{y}</math>). | |||
Конечные значения <math>y_{(2)}(i_{1}, i_{2})</math> являются приближенным решением задачи | |||
Выходные данные: обновленная матрица <math>y</math> (элементы <math>y_{i,j}^{n+1}, i = 0,...,N_{x}, j = 0,...,N_{y}</math>). | |||
Объём выходных данных: <math>(N_{x} + 1) * (N_{y} + 1)</math> | |||
===Свойства алгоритма=== | |||
Продольно–поперечная схема является одной из первых экономичных схем. Она сочетает в себе лучшее качество явной схемы – экономичность и неявной – устойчивость. Основной идеей экономичных разностных схем является сведение многомерной задачи к цепочке одномерных задач. | |||
Продольно–поперечная схема равномерно и безусловно устойчива по начальным данным, так как при переходе с одного целого слоя на следующий целый слой ошибки начальных данных не нарастают. | |||
При переходе с целого слоя на целый погрешность локальной аппроксимации на равномерных сетках есть <math>O(\tau^{2} + h_{x}^{2} + h_{y}^{2})</math> т.е. продольно–поперечная схема имеет второй порядок аппроксимации по всем переменным. | |||
Версия от 21:24, 11 июня 2017
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Продольно–поперечная схема, которая также носит название метода переменных направлений (ADI – alternate directions implicit method), получила широкое применение для решения многомерных задач, приводящих к уравнениям в частных производных параболического типа (уравнение диффузии, уравнение теплопроводности). Эта схема была предложена в 1955 году Писменом и Рэкфордом.
Математическое описание алгоритма
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительное ядро алгоритма можно считать состоящим из двух частей – продольной прогонки и поперечной прогонки. В свою очередь, каждая из этих прогонок состоит из прямого и обратного хода. В прямом ходе вычислительное ядро составляют последовательности операций деления, умножения и сложения/вычитания. В обратном ходе в вычислительном ядре остаются только последовательности умножения и сложения.
Макроструктура алгоритма
Алгоритм представляет собой совокупность продольной и поперечной прогонки, а также прямого и обратного хода.
Схема реализации последовательного алгоритма
Последовательность исполнения метода следующая: Осуществляется прогонка вдоль строк, как это изображено на рисунке 1.1 [4]:
Рисунок 1.1– Прогонка вдоль строк
Затем осуществляется прогонка вдоль столбцов, как это представлено на рисунке 1.2 [4]:
Рисунок 1.2- Прогонка вдоль столбцов
Последовательная сложность алгоритма
Таким образом, при классификации по последовательной сложности продольно–поперечная прогонка относится к алгоритмам с линейной сложностью. При переходе от слоя [math]\displaystyle{ j }[/math] к слою [math]\displaystyle{ j+1 }[/math] требуется [math]\displaystyle{ O(\frac{1}{h^{2}}) }[/math] арифметических действий. Чтобы найти [math]\displaystyle{ y^{j_{0}} }[/math] при [math]\displaystyle{ t_{0} = j_{0}\tau }[/math] по начальным данным требуется, очевидно, [math]\displaystyle{ O(\frac{1}{h^{2}})j_{0} = O(\frac{1}{\tau h^{2}}) }[/math] операций, то есть число операций пропорционально числу используемых узлов пространственно–временной сетки [math]\displaystyle{ w_{h\tau} }[/math]. Наряду с основными значениями [math]\displaystyle{ u_{ij}^{k} }[/math] и [math]\displaystyle{ u_{i,j}^{k+1} }[/math] вводится значение на промежуточном слое – [math]\displaystyle{ u_{ij}^{k+\frac{1}{2}} }[/math], что фактически является значением [math]\displaystyle{ u }[/math] при [math]\displaystyle{ t = t_{k+\frac{1}{2}}=t+\frac{\tau}{2} }[/math]. Благодаря этому, переход на следующий слой осуществляется в два шага.
Информационный граф
Описание ресурса параллелизма алгоритма
Алгоритм метода переменных направлений обладает естественным параллелизмом: можно организовать независимые вычислительные процессы на каждом временном слое.
Входные и выходные данные алгоритма
Входные данные: матрица [math]\displaystyle{ y }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ y_{i,j}^{1}, i = 0,...,N_{x}, j = 0,...,N_{y} }[/math]).
Конечные значения [math]\displaystyle{ y_{(2)}(i_{1}, i_{2}) }[/math] являются приближенным решением задачи
Выходные данные: обновленная матрица [math]\displaystyle{ y }[/math] (элементы [math]\displaystyle{ y_{i,j}^{n+1}, i = 0,...,N_{x}, j = 0,...,N_{y} }[/math]).
Объём выходных данных: [math]\displaystyle{ (N_{x} + 1) * (N_{y} + 1) }[/math]
Свойства алгоритма
Продольно–поперечная схема является одной из первых экономичных схем. Она сочетает в себе лучшее качество явной схемы – экономичность и неявной – устойчивость. Основной идеей экономичных разностных схем является сведение многомерной задачи к цепочке одномерных задач. Продольно–поперечная схема равномерно и безусловно устойчива по начальным данным, так как при переходе с одного целого слоя на следующий целый слой ошибки начальных данных не нарастают. При переходе с целого слоя на целый погрешность локальной аппроксимации на равномерных сетках есть [math]\displaystyle{ O(\tau^{2} + h_{x}^{2} + h_{y}^{2}) }[/math] т.е. продольно–поперечная схема имеет второй порядок аппроксимации по всем переменным.