Метод Холецкого (нахождение симметричного треугольного разложения)

1 Разложение Холецкого (метод квадратного корня), базовый точечный вещественный вариант для плотной симметричной положительно-определённой матрицы

Разложение Холецкого (метод квадратного корня), базовый точечный вещественный вариант для плотной симметричной положительно-определённой матрицы.

2 Разложение Холецкого, блочный вещественный вариант для плотной симметричной положительно-определённой матрицы

Можно также рассмотреть блочный вариант разложения Холецкого. Предположим, что $n=MN$, тогда исходную матрицу $A$ размера $n\times n$ можно представить как блочную матрицу размера $N\times N$ с блоками размера $M\times M$. Все формулы, используемые для получения точечного разложения Холецкого, для блочной матрицы $А$ останутся практически без изменений. Вместо явного обращения диагональных блоков, эффективнее будет хранить их в факторизованном виде $D_{ii}=L_{ii}L^T_{ii}$, а вместо точечной операции деления использовать операции решения треугольных систем. Общее количество арифметических операций при этом останется практически неизменным, но зато существенно возрастет локальность вычислений. Размер блока $M$ выбирают таким образом, чтобы все блоки, участвующие в операции исключения, помещались в кэш первого или второго уровня. В этом случае подкачки данных в память будут минимальными.

Аналогичный прием понадобится также и для эффективной реализации параллельной версии разложения Холецкого, что позволит минимизировать как общее количество обменов, так и количество пересылаемой между процессорами информации. Полезным побочным эффектом использования блочной версии разложения Холецкого может стать повышение скалярной эффективности алгоритма за счет явного использования размера блока $M$ во внутренних циклах (прием "разворачивания цикла" или "loop unrolling").

3 Разложение Холецкого, точечный вещественный вариант для разреженной симметричной положительно-определённой матрицы

Если исходная матрица $A$ представлена в разреженном виде, то для экономии памяти, а также арифметических операций, необходимо учитывать ее разреженность.

3.1 Основные отличия от случая плотной матрицы

В этом разделе необходимо рассмотреть три следующие виды разреженности:

1. ленточная матрица - матрица,ненулевые элементы которой сосредоточены внутри ленты шириной $2d+1$, т.е. когда $a_{ij}=0$, если $|i-j|\gt d$. В этом случае, при проведении разложения Холдецкого новые ненулевые элементы (если внутри ленты имеются нулевые элементы) могут образовываться только внутри этой же ленты. Количество ненулевых элементов в исходной матрице $A$, а также в нижнетреугольном множителе $L$ будет около $(d+1)n$, а арифметичекие затраты соcтавят приблизительно $d^2n$. Случай, когда матрица состоит всего из нескольких диагоналей (например, при конечно-разностной аппроксимации уравнений в частных производных на регулярной сетке) здесь отдельно не рассматривается, т.к. заполнение в нижнетреугольном множителе $L$ все-равно будет определяться исключительно наличием самой внешней (дальней) диагонали.

2. профильная матрица - в более общем случае, заполнение в каждой строке треугольного множителе $L$ будет определяться позицией первого ненулевого элемента. Сумма по всем строкам растояний от первого ненулевого элемента строки до главной диагонали и сотавляет "профиль" матрицы и определяет количество ненулевых элементов в нижнетреугольном множителе $L$.

3. матрица общей структуры разреженности. Верхней границей заполнения треугольного множителя $L$, конечно же, будет значение "профиля" матрицы, но учет особенностей структуры ненулевых элементов внутри профиля иногда может дать дополнительный эффект в повышении эффективности вычислений.

Для рассмотрения общего случая разреженности необходимо выбрать формат хранения разреженных данных. Таковым может быть, например, формат построчного сжатия данных ("compressed sparse row" или CSR формат). В первом вещественном массиве, подряд (обычно в порядке возрастания номером столбцов) хранятся ненулевые элементы матрицы, во втором, в том же порядке хранятся номера столбцов, в третьем, отдельно сохраняется начало каждой строки. Если общее количество ненулевых элементов в матрице равно nnz ("number of nonzeros"), то пямять для хранения разреженных данных такой матрицы в формате CSR при использовании двойной точности составит $3\,{\rm nnz}+n+1$. Оценку количества орифметических операций в общем случае невозможно, т.к. помимо количества ненулевых элементов в исходной матрице оно существенно зависит от структуры ее разреженности.

Для реализации разложения Холецкого в этом случае понадобятся несколько операций с разреженными строками:

а) копирование из одной разреженной строки в другую (или во временный "плотный" вектор, распаковка данных);

б) выполнение операции исключения для одного из элементов строки;

в) вставление в строку нового ненулевого элемента ("fill-in");

г) сжатие данных с копированием из временного плотного вектора в сжатый разреженный (упаковка данных).

3.2 Переупорядочивания для уменьшения количества новых ненулевых элементов

Структура треугольного множителя $L$, а также объем памяти им занимаемый, зависят от упорядочивания строк и столбцов исходной матрицы $A$, в котором проводится разложение. Существуют алгоритмы, минимизирующие заполнение матрицы $L$.

• ) В первую очередь это алгоритм RCM (reversed Cuthill–McKee), который предназначен для уменьшения профиля матрицы. Одновременно с уменьшением профиля происходит и уменьшение заполнения треугольного множителя $L$. Это очень широко применяемый, быстрый, но не самый эффективный алгоритм. Русского аналога название этого алгоритма не имеет.

• ) Алгоритм вложенных сечений (Nested Dissection, ND) - служит именно для минимизации заполнения множителя $L$. В некоторых частных случаях доказана его ассимптотическая оптимальность.

В общем случае, проблема поиска перестановки минимизирующей заполнение множителя $L$ является NP-полной задачей.

4 Разложение Холецкого, блочный вещественный вариант для разреженной симметричной положительно-определённой матрицы

Иногда разреженную симметричную матрицу бывает удобно представить в блочном виде с блоками небольшого размера $M$, равного, например, количеству неизвестных функций на узел при конечно-элементной или конечно-разностной аппроксимации уравнений в частных производных. В этом случае структура разреженности хранится сразу для блочной структуры разреженности (что позволяет экономить память на хранении целочисленных массивов). Если общее количество ненулевых блоков размера $M\times M$ в матрице равно nnz ("number of nonzeros"), то пямять для хранения разреженных данных такой мелкоблочной матрицы в формате CSR при использовании двойной точности составит $(2M^2+1)\,{\rm nnz}+n/M+1$.

В некоторых случаях, размер блока $M$ может выбираться искуственно, например, для повышения эффективности работы процедур нижнего уровня за счет приема разворачивания циклов (loop unrolling).

Алгоритмы, необходимые при выполнении разложения Холецкого для матриц, рассмотренных в этом разделе, могут быть получены комбинацией уже рассмотренных идей блочности и разреженности.

5 Разложение Холецкого для эрмитовой матрицы

Эрмитовой (или комплексно-самосопряженной) матрицей называют такую квадратную комплексную матрицу $A$, для элементов которой выполняется соотношение $a_{ij}=\overline{a_{ji}}$ (здесь, если $z=a+{\rm i}b$ и ${\rm i}^2=-1$, то $\overline z=a-{\rm i}b$). В матричном виде это можно записать как $A=\overline{A^T}$ или $A=A^Н$.

5.1 Точечный вариант

Как естественное обобщение разложения Холецкого для точечной симметричной положительно-определеной матрицы может быть рассмотрено разложение Холецкого для эрмитовой матрицы. Все формулы для вычисления разложения остаются прежними, только теперь вместо операций над вещественными числами выполняются аналогичные комплексные операции.

В отличие от вещественного варианта, для выполнении комплексных операций потребуется считывать из памяти вдвое больше данных и производить над ними примерно вчетверо больше арифметических операций, что должно не только несколько улучшыть локальность вычислений, но и повысить их эффективность.

5.2 Блочный вариант

Реализация блочного варианта разложения Холецкого для эрмитовых матриц будет аналогична рассмотрему выше блочному варианту для вещественных матриц.