Участник:Janyell/Хранение ненулевых элементов разреженной матрицы. Умножение разреженной матрицы на вектор

Материал из Алговики
Версия от 08:52, 9 октября 2016; Janyell (обсуждение | вклад) (Новая страница: «'''Авторы страницы:''' Сычева Е.А и Хахалин А.С. = Свойства и структура алгоритмов = == Общее…»)
(разн.) ← Предыдущая версия | Текущая версия (разн.) | Следующая версия → (разн.)
Перейти к навигации Перейти к поиску

Авторы страницы: Сычева Е.А и Хахалин А.С.

Свойства и структура алгоритмов

Общее описание алгоритма

Разреженная матрица — матрица с большим количеством нулевых элементов.

Среди специалистов нет единства в определении того, какое именно количество ненулевых элементов делает матрицу разреженной. Матрицу порядка [math]\displaystyle{ n }[/math] называют разреженной, если число ее ненулевых элементов [1]:

  • есть [math]\displaystyle{ O(n) }[/math]. Приве­денное определение полезно только для теоретических целей типа попытки оценить асимптотическое поведение алгоритма.
  • ограничено в строке, в типичном случае от 2 до 10.
  • выражается как [math]\displaystyle{ n^{1+\gamma} }[/math], где [math]\displaystyle{ \gamma \lt 1 }[/math].
  • таково, что для данной матрицы, данного алгоритма и данной вычислительной машины имеет смысл извлекать выгоду из на­личия в ней многих нулей.

Всякую разреженную матрицу можно обрабатывать так, как если бы она была плотной: напротив, вся­кую плотную, или заполненную, матрицу можно обрабатывать алгоритмами для разреженных матриц. В обоих случаях полу­чатся правильные численные результаты, но вычислительные затраты возрастут. Приписывание матрице свойства разреженности эквивалентно утверждению о существовании алгоритма, исполь­зующего ее разреженность и делающего вычисления с ней дешевле по сравнению со стандартными алгоритмами.

Три основных идеи, которые направляли развитие большей части технологии разреженных матриц:

  • хранить только ненулевые элементы. Разреженная матрица, будучи множеством чисел, не имеющим регулярности, не может быть представлена в памяти машины тем же простым способом, что и полная матрица. Поэтому возникает необходимость дополнительно хранить индексную информацию, указывающую расположение каждого элемента в регулярном массиве.
  • оперировать только с ненулевыми элементами. Число операций, производимых машиной при исполнении алгоритма, пропорционально числу ненулевых элементов, а не числу всех элементов матрицы.
  • сохранять разреженность. Хоро­ший алгоритм для разреженных матриц пытается сохранить раз­реженность, по возможности уменьшая заполнение.

Однако многие схемы хранения допускают определенную долю нулей, и алгоритм обрабатывает их, как если бы они не были нулями. Алгоритм, хранящий и обрабатывающий меньшее число нулей, более сложен, труднее программируется и целесообразен только для достаточно больших матриц.

Математическое описание алгоритма

Вычислительное ядро алгоритма

Макроструктура алгоритма

Схема реализации последовательного алгоритма

Последовательная сложность алгоритма

Информационный граф

Ресурс параллелизма алгоритма

Входные и выходные данные алгоритма

Свойства алгоритма

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

Для вычислений с разреженными матрицами создано несколько библиотек:

  • SparseLib++ (C++)
  • uBLAS (C++, в составе Boost)
  • SPARSPAK (Fortran)
  • CSparse (C)

и другие.

Литература

<references \>

  1. ↑ С.Писсанецки. Технология разреженных матриц. - М.: Мир, 1988