Участник:Valeriya Shervarly/Ортогонализация Грама-Шмидта: различия между версиями
Новая страница: «Ортогонализация Грама-Шмидта» |
Нет описания правки |
||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
= ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов = | |||
== Общее описание алгоритма == | |||
Процесс Грама-Шмидта - это алгоритм построения множества ортогональных (или ортонормированных) линейно-независимых векторов по исходному множеству векторов, при этом линейные оболочки получившегося и исходного множеств векторов совпадают. | |||
Процесс Грама ― Шмидта также можно рассматривать как разложение невырожденной квадратной матрицы в произведение ортогональной и верхнетреугольной матрицы с положительными диагональными элементами (QR-разложение). | |||
Задача построения или вычисления ортогонального базиса некоторого линейного подпространства или пространства часто является подзадачей более крупных широко используемых задач, так что ортогонализация Грама-Шмидта является важным алгоритмом в линейной алгебре. | |||
== Математическое описание алгоритма == | |||
:: <math> | |||
\begin{align} | |||
b_1 & = a_1 \\ | |||
b_2 & = a_2 - \frac{<a_2, b_1>}{\|b_1\|^2} * b_1 \\ | |||
b_3 & = a_3 - \frac{<a_3, b_1>}{\|b_1\|^2} * b_1 - \frac{<a_3, b_2>}{\|b_2\|^2} * b_2 \\ | |||
... \\ | |||
b_n & = a_n - \frac{<a_n, b_1>}{\|b_1\|^2} * b_1 - ... - \frac{<a_n, b_{n-1}>}{\|b_{n-1}\|^2} * b_{n-1} \\ | |||
\end{align} | |||
</math> | |||
где: | |||
<math>a_1, ..., a_n </math> - множество исходных векторов | |||
<math>b_1, ..., b_n</math> - множество искомых векторов | |||
<math><a,b></math> - скалярное произведение векторов | |||
<math>\|b\| = \sqrt{<b,b>}</math> | |||
== Вычислительное ядро алгоритма == | |||
Вычислительным ядром алгоритма является весь алгоритм (за исключением инициализации первого вектора ортогонального базиса <math>b_1</math>). | |||
== Макроструктура алгоритма == | |||
На уровне макроструктуры будем рассматривать <math>\frac{<a, b>}{\|b\|^2} * b</math> как отдельную макрооперацию <math>proj_{b}a</math> | |||
== Схема реализации последовательного алгоритма == | |||
input: a | |||
output: b | |||
for j = 1,...,n | |||
b[j] = a[j] | |||
for k = 1,...,j-1 | |||
b[j] = b[j] - <a[j],b[k]>/<b[k],b[k]>*b[k] | |||
== Последовательная сложность алгоритма == | |||
Сложность алгоритма - <math>O(n^3)</math> | |||
== Информационный граф == | |||
== Ресурс параллелизма алгоритма == | |||
Возможно параллельное вычисление всех <math>proj_{b_j}a_i, i=1,...n</math> для уже найденных <math>b_j</math> вместо вычисления каждого вектора <math>b_j</math> по очереди. Таким образом после каждой итерации будет получен один посчитанный вектор, необходимый для расчетов на следующей итерации. Однако степень распараллеливания будет падать на каждой итерации, что вместе с необходимостью синхронизации и многочисленными обменами информации может снизить эффективность распараллеливания. | |||
== Входные и выходные данные алгоритма == | |||
'''Входные данные:''' | |||
N линейно независимых векторов (процесс Грама — Шмидта может применяться также к бесконечной последовательности линейно независимых векторов, а также к линейно зависимым векторам. В последнем случае вектор <math>a_j</math> получится нулевым, если он зависит от векторов <math>a_1, ..., a_{j-1}</math>, и алгоритм должен сразу отбрасывать нулевые векторы) | |||
'''Выходные данные:''' | |||
N ортогональных векторов, линейная оболочка которых совпадает с линейной оболочкой входного множества векторов. | |||
== Свойства алгоритма == | |||
Алгоритм является численно-неустойчивым из-за частой потери ортогональности, вызванной ошибками округления в процессе вычислений. | |||
Существует модификация алгоритма Грама-Шмидта, которая является более устойчивой (MGS). | |||
Алгоритм является детерминированным. | |||
= ЧАСТЬ. 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 == | |||
* реализация для системы компьютерной алгебры [http://maxima.sourceforge.net/ maxima] (GNU GPL) | |||
load(eigen); | |||
x: matrix ([-2,1,0],[-2,0,1],[-0.5,-1,1]); | |||
y: gramschmidt(x); | |||
* пример реализации для системы компьютерной алгебры [http://www.wolfram.com/mathematica/ mathematica] (проприетарное программное обеспечение) | |||
Projection[v1_, v2_] := (v1.v2*v2)/v2.v2 | |||
MultipleProjection[v1_, vecs_] := Plus @@ (Projection[v1, #1] &) /@ vecs | |||
GramSchmidt[mat_] := Fold[Join[#1, {Normalize[#2 - MultipleProjection[#2, #1]]}] &, {}, mat] | |||
GramSchmidt[{{-2, 1, 0}, {-2, 0, 1}, {-0.5, -1, 1}}] | |||
* библиотека [https://github.com/fplll/fplll fplll] (функция GSO) (GNU LESSER GENERAL PUBLIC LICENSE) | |||
* [http://numerics.mathdotnet.com/ Math.NET Numerics] (функция MathNet.Numerics.LinearAlgebra.Factorization.GramSchmidt<T>) | |||
* библиотека [https://www.nag.co.uk/ NAG] ([http://www.nag.co.uk/numeric/Fl/manual/pdf/F05/f05aaf.pdf F05AAF]) | |||
* библиотека [https://www.mcs.anl.gov/petsc/documentation/index.html PETSc] (KSPGMRESClassicalGramSchmidtOrthogonalization) | |||
= Литература = | |||
# https://ru.wikipedia.org/wiki/Процесс_Грама_―_Шмидта | |||
# | |||
Версия от 21:18, 16 октября 2016
ЧАСТЬ. Свойства и структура алгоритмов
Общее описание алгоритма
Процесс Грама-Шмидта - это алгоритм построения множества ортогональных (или ортонормированных) линейно-независимых векторов по исходному множеству векторов, при этом линейные оболочки получившегося и исходного множеств векторов совпадают.
Процесс Грама ― Шмидта также можно рассматривать как разложение невырожденной квадратной матрицы в произведение ортогональной и верхнетреугольной матрицы с положительными диагональными элементами (QR-разложение).
Задача построения или вычисления ортогонального базиса некоторого линейного подпространства или пространства часто является подзадачей более крупных широко используемых задач, так что ортогонализация Грама-Шмидта является важным алгоритмом в линейной алгебре.
Математическое описание алгоритма
- [math]\displaystyle{ \begin{align} b_1 & = a_1 \\ b_2 & = a_2 - \frac{\lt a_2, b_1\gt }{\|b_1\|^2} * b_1 \\ b_3 & = a_3 - \frac{\lt a_3, b_1\gt }{\|b_1\|^2} * b_1 - \frac{\lt a_3, b_2\gt }{\|b_2\|^2} * b_2 \\ ... \\ b_n & = a_n - \frac{\lt a_n, b_1\gt }{\|b_1\|^2} * b_1 - ... - \frac{\lt a_n, b_{n-1}\gt }{\|b_{n-1}\|^2} * b_{n-1} \\ \end{align} }[/math]
где: [math]\displaystyle{ a_1, ..., a_n }[/math] - множество исходных векторов
[math]\displaystyle{ b_1, ..., b_n }[/math] - множество искомых векторов
[math]\displaystyle{ \lt a,b\gt }[/math] - скалярное произведение векторов
[math]\displaystyle{ \|b\| = \sqrt{\lt b,b\gt } }[/math]
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительным ядром алгоритма является весь алгоритм (за исключением инициализации первого вектора ортогонального базиса [math]\displaystyle{ b_1 }[/math]).
Макроструктура алгоритма
На уровне макроструктуры будем рассматривать [math]\displaystyle{ \frac{\lt a, b\gt }{\|b\|^2} * b }[/math] как отдельную макрооперацию [math]\displaystyle{ proj_{b}a }[/math]
Схема реализации последовательного алгоритма
input: a output: b
for j = 1,...,n
b[j] = a[j]
for k = 1,...,j-1
b[j] = b[j] - <a[j],b[k]>/<b[k],b[k]>*b[k]
Последовательная сложность алгоритма
Сложность алгоритма - [math]\displaystyle{ O(n^3) }[/math]
Информационный граф
Ресурс параллелизма алгоритма
Возможно параллельное вычисление всех [math]\displaystyle{ proj_{b_j}a_i, i=1,...n }[/math] для уже найденных [math]\displaystyle{ b_j }[/math] вместо вычисления каждого вектора [math]\displaystyle{ b_j }[/math] по очереди. Таким образом после каждой итерации будет получен один посчитанный вектор, необходимый для расчетов на следующей итерации. Однако степень распараллеливания будет падать на каждой итерации, что вместе с необходимостью синхронизации и многочисленными обменами информации может снизить эффективность распараллеливания.
Входные и выходные данные алгоритма
Входные данные: N линейно независимых векторов (процесс Грама — Шмидта может применяться также к бесконечной последовательности линейно независимых векторов, а также к линейно зависимым векторам. В последнем случае вектор [math]\displaystyle{ a_j }[/math] получится нулевым, если он зависит от векторов [math]\displaystyle{ a_1, ..., a_{j-1} }[/math], и алгоритм должен сразу отбрасывать нулевые векторы)
Выходные данные: N ортогональных векторов, линейная оболочка которых совпадает с линейной оболочкой входного множества векторов.
Свойства алгоритма
Алгоритм является численно-неустойчивым из-за частой потери ортогональности, вызванной ошибками округления в процессе вычислений. Существует модификация алгоритма Грама-Шмидта, которая является более устойчивой (MGS).
Алгоритм является детерминированным.
ЧАСТЬ. 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
- реализация для системы компьютерной алгебры maxima (GNU GPL)
load(eigen); x: matrix ([-2,1,0],[-2,0,1],[-0.5,-1,1]); y: gramschmidt(x);
- пример реализации для системы компьютерной алгебры mathematica (проприетарное программное обеспечение)
Projection[v1_, v2_] := (v1.v2*v2)/v2.v2
MultipleProjection[v1_, vecs_] := Plus @@ (Projection[v1, #1] &) /@ vecs
GramSchmidt[mat_] := Fold[Join[#1, {Normalize[#2 - MultipleProjection[#2, #1]]}] &, {}, mat]
GramSchmidt[{{-2, 1, 0}, {-2, 0, 1}, {-0.5, -1, 1}}]
- библиотека fplll (функция GSO) (GNU LESSER GENERAL PUBLIC LICENSE)
- Math.NET Numerics (функция MathNet.Numerics.LinearAlgebra.Factorization.GramSchmidt<T>)
- библиотека PETSc (KSPGMRESClassicalGramSchmidtOrthogonalization)