Прогонка, точечный вариант

Прогонка для трёхдиагональной матрицы, точечный вариант
Последовательный алгоритм
Последовательная сложность	[math]8n-7[/math]
Объём входных данных	[math]4n-2[/math]
Объём выходных данных	[math]n[/math]
Параллельный алгоритм
Высота ярусно-параллельной формы	[math]5n-4[/math]
Ширина ярусно-параллельной формы	[math]2[/math]

Основные авторы описания: А.В.Фролов.

1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Прогонка - один из вариантов метода исключения неизвестных, применяемого к решению СЛАУ вида [math]Ax = b[/math], где

[math] A = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ a_{21} & a_{22} & a_{23}& \cdots & \cdots & 0 \\ 0 & a_{32} & a_{33} & \cdots & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & \cdots & \cdots & a_{n-1 n-2} & a_{n-1 n-1} & a_{n-1 n} \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & a_{n n-1} & a_{n n} \\ \end{bmatrix}, x = \begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ \vdots \\ x_{n} \\ \end{bmatrix}, b = \begin{bmatrix} b_{1} \\ b_{2} \\ \vdots \\ b_{n} \\ \end{bmatrix} [/math]

Часто, однако, при изложении сути методов решения трёхдиагональных СЛАУ элементы правой части и матрицы системы обозначают и нумеруют по-другому, например СЛАУ может иметь вид ([math]N=n-1[/math])

[math] A = \begin{bmatrix} c_{0} & -b_{0} & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ -a_{1} & c_{1} & -b_{1} & \cdots & \cdots & 0 \\ 0 & -a_{2} & c_{2} & \cdots & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & \cdots & \cdots & -a_{N-1} & c_{N-1} & -b_{N-1} \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & -a_{N} & c_{N} \\ \end{bmatrix}\begin{bmatrix} y_{0} \\ y_{1} \\ \vdots \\ y_{N} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} f_{0} \\ f_{1} \\ \vdots \\ f_{N} \\ \end{bmatrix} [/math]

или, если записывать отдельно по уравнениям, то

[math]c_{0} y_{0} - b_{0} y_{1} = f_{0}[/math],

[math]-a_{i} y_{i-1} + c_{i} y_{i} - b_{i} y_{i+1} = f_{i}, 1 \le i \le N-1[/math],

[math]-a_{N} y_{N-1} + c_{N} y_{N} = f_{N}[/math].

Здесь рассматривается тот вариант прогонки, когда обрабатывается вся СЛАУ сверху вниз и обратно - так называемая правая прогонка. Суть метода состоит в исключении из уравнений неизвестных, сначала - сверху вниз - под диагональю, а затем - снизу вверх - над диагональю. Вариант, когда СЛАУ "проходится" наоборот, снизу вверх и обратно вниз - левая прогонка - принципиально ничем не отличается от рассматриваемого, поэтому нет смысла включать его отдельное описание.

Рисунок 1. Граф алгоритма прогонки при n=8 без отображения входных и выходных данных. / - деление, f - операция a+bc или a-bc.

1.2 Математическое описание алгоритма

В приведённых выше обозначениях в прогонке сначала выполняют её прямой ход - вычисляют коэффициенты

[math]\alpha_{1} = b_{0}/c_{0}[/math],

[math]\beta_{1} = f_{0}/c_{0}[/math],

[math]\alpha_{i+1} = b_{i}/(c_{i}-a_{i}\alpha_{i})[/math], [math]\quad i = 1, 2, \cdots , N-1[/math],

[math]\beta_{i+1} = (f_{i}+a_{i}\beta_{i})/(c_{i}-a_{i}\alpha_{i})[/math], [math]\quad i = 1, 2, \cdots , N[/math].

после чего вычисляют решение с помощью обратного хода

[math]y_{N} = \beta_{N+1}[/math],

[math]y_{i} = \alpha_{i+1} y_{i+1} + \beta_{i+1}[/math], [math]\quad i = N-1, N-2, \cdots , 1, 0[/math].

В литературе указывается, что данные формулы эквивалентны вычислению одного из вариантов [math]LU[/math]-разложения матрицы системы с последующим решением двухдиагональных систем посредством прямой и обратной подстановок.

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро алгоритма можно считать состоящим из двух частей - прямого и обратного хода прогонки. 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.

Рисунок 2. Детальный граф алгоритма прогонки с однократным вычислением обратных чисел при n=4 без отображения входных и выходных данных. inv - вычисление обратного числа, mult - операция перемножения чисел.

1.4 Макроструктура алгоритма

В дополнение к возможности представления макроструктуры алгоритма как совокупности прямого и обратного хода, прямой ход также может быть разложен на две макроединицы - треугольного разложения матрицы и прямого хода решения двухдиагональной СЛАУ, которые выполняются "одновременно", т.е. параллельно друг другу. При этом решение двухдиагональной СЛАУ использует результаты треугольного разложения.

1.5 Схема реализации последовательного алгоритма

Последовательность исполнения метода следующая:

1. Инициализируется прямой ход прогонки:

[math]\alpha_{1} = b_{0}/c_{0}[/math],

[math]\beta_{1} = f_{0}/c_{0} [/math]

2. Последовательно для всех [math]i[/math] от [math]1[/math] до [math]N-1[/math] выполняются формулы прямого хода:

[math]\alpha_{i+1} = b_{i}/(c_{i}-a_{i}\alpha_{i})[/math],

[math]\beta_{i+1} = (f_{i}+a_{i}\beta_{i})/(c_{i}-a_{i}\alpha_{i})[/math].

3. Инициализируется обратный ход прогонки:

[math]y_{N} = (f_{N}+a_{N}\beta_{N})/(c_{N}-a_{N}\alpha_{N})[/math]

4. Последовательно для всех [math]i[/math] с убыванием от [math]N-1[/math] до [math]0[/math] выполняются формулы обратного хода: [math]y_{i} = \alpha_{i+1} y_{i+1} + \beta_{i+1}[/math].

В формулах прямого хода присутствуют пары делений на одно и то же выражение. Их можно заменить вычислением обратных чисел и последующим умножением на эти числа.

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Для выполнения прогонки в трёхдиагональной СЛАУ из [math]n[/math] уравнений с [math]n[/math] неизвестными в последовательном (наиболее быстром) варианте требуется:

• [math]2n-1[/math] делений,
• [math]3n-3[/math] сложений/вычитаний,
• [math]3n-3[/math] умножений.

Таким образом, при классификации по последовательной сложности, прогонка относится к алгоритмам с линейной сложностью.

1.7 Информационный граф

Информационный граф прогонки представлен на рис.1. Как следует из анализа графа, он является практически последовательным, при выполнении прямого хода две ветви (левая - разложение матрицы, центральная - решение первой из двухдиагональных систем) могут выполняться параллельно друг другу. Правая ветвь соответствует обратному ходу. Из рисунка видно, что не только математическая суть обработки элементов векторов, но даже структура графа алгоритма и направление потоков данных в нём вполне соответствуют названию "обратный ход". Вариант с заменой делений сводится к графу, который изображён на рис.2.

1.8 Описание ресурса параллелизма алгоритма

Для выполнения прогонки в трёхдиагональной СЛАУ из [math]n[/math] уравнений с [math]n[/math] неизвестными в параллельном варианте требуется последовательно выполнить следующие ярусы:

• [math]n[/math] ярусов делений (в каждом из ярусов, кроме одного, по [math]2[/math] деления),
• по [math]2n - 2[/math] ярусов умножений и сложений/вычитаний (в [math]n-1[/math] ярусах - по [math]2[/math] операции, в [math]n-1[/math] - по одной).

Таким образом, при классификации по высоте ЯПФ, прогонка относится к алгоритмам со сложностью [math]O(n)[/math]. При классификации по ширине ЯПФ её сложность будет равна [math]2[/math].

1.9 Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: трёхдиагональная матрица [math]A[/math] (элементы [math]a_{ij}[/math]), вектор [math]b[/math] (элементы [math]b_{i}[/math]).

Объём входных данных: [math]4n-2[/math].

Выходные данные: вектор [math]x[/math] (элементы [math]x_{i}[/math]).

Объём выходных данных: [math]n[/math].

1.10 Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности, как хорошо видно, является константой (причём менее [math]2[/math]).

При этом вычислительная мощность алгоритма как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных также является константой.

Алгоритм в рамках выбранной версии полностью детерминирован.

Обычно прогонка используется для решения СЛАУ с диагональным преобладанием. В этом случае гарантируется устойчивость алгоритма.

В случае, когда требуется решение нескольких СЛАУ с одной и той же матрицей, левую ветвь вычислений (см. рисунки с графом алгоритма) можно не повторять. Это связано с тем, что [math]LU[/math]-разложение матрицы системы не нужно перевычислять. Тогда будет более предпочтителен вариант с заменой делений.

2 Программная реализация алгоритма

2.1 Особенности реализации последовательного алгоритма

В зависимости от способа хранения матрицы СЛАУ (в виде одного массива с [math]3[/math] строками или в виде [math]3[/math] разных массивов) и способа хранения вычисляемых коэффициентов (на месте уже использованных элементов матрицы либо отдельно) возможны различные реализации алгоритма.

Приведем пример подпрограммы на языке Fortran, реализующей прогонку, где все элементы матрицы хранятся в одном массиве, причём соседние элементы матричной строки размещаются рядом, а вычисляемые коэффициенты --- на месте элементов исходной матрицы. Вариант без предварительного обращения:

      subroutine progm (a,x,N)
      real a(3,0:N), x(0:N)
      a(3,0)=-a(3,0)/a(2,0) ! alpha 1
      x(0)=x(0)/a(2,0) ! beta 1
      do 10 i=1,N-1
        a(3,i)=-a(3,i)/(a(2,i)+a(1,i)*a(3,i-1)) ! alpha i+1
        x(i)=(x(i)-a(1,i)*x(i-1))/(a(2,i)+a(1,i)*a(3,i-1)) ! beta i+1
  10  continue
      x(N)=(x(N)-a(1,N)*x(N-1))/(a(2,N)+a(1,N)*a(2,N-1)) ! y N
      do 20 i=N-1,0,-1
        x(i)=a(3,i)*x(i+1)+x(i) ! y i
  20  continue
      return
      end

Вариант с предварительным обращением числа:

      subroutine progm (a,x,N)
      real a(3,0:N), x(0:N)
      a(2,0) = 1. /a(2,0)
      a(3,0)=-a(3,0)*a(2,0) ! alpha 1
      x(0)=x(0)*a(2,0) ! beta 1
      do 10 i=1,N-1
        a(2,i)=1./(a(2,i)+a(1,i)*a(3,i-1))
        a(3,i)=-a(3,i)*a(2,i) ! alpha i+1
        x(i)=(x(i)-a(1,i)*x(i-1))*a(2,i) ! beta i+1
  10  continue
      a(2,N)=1./(a(2,N)+a(1,N)*a(2,N-1))
      x(N)=(x(N)-a(1,N)*x(N-1))*a(2,N) ! y N
      do 20 i=N-1,0,-1
        x(i)=a(3,i)*x(i+1)+x(i) ! y i
  20  continue
      return
      end

В Сети имеется много простых реализаций метода, например в Викиучебник - Реализации алгоритмов - Метод прогонки.

2.2 Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Как видно из анализа графа алгоритма, его (без существенных модификаций) практически невозможно распараллелить. Поэтому есть два способа использования прогонок для параллельных вычислительных систем: либо разбивать задачу, где используются прогонки, так, чтобы их было достаточно много, например, так, чтобы на каждую из прогонок приходился 1 процессор (1 ядро), либо использовать вместо прогонки её параллельные варианты (циклическую редукцию, последовательно-параллельные варианты и т.п.).

Алгоритм прогонки является настолько простым, что, несмотря на его "дежурное" присутствие в стандартных пакетах программ решения задач линейной алгебры, большинство использующих его исследователей-прикладников часто пишут соответствующий фрагмент программы самостоятельно. Однако надо отметить, что, как правило, метод прогонки в пакетах реализуют не в его "чистом виде", а в виде пары "разложение на две двухдиагональные матрицы" и "решение СЛАУ с предварительно факторизованной трёхдиагональной матрицей". Так обстоит дело, например, в пакете SCALAPACK и его предшественниках.

2.4 Выводы для классов архитектур

Прогонка - метод для архитектуры классического, фон-неймановского типа, непригодный даже для эффективной загрузки одноядерных систем, поддерживающих суперскалярность. Для распараллеливания решения СЛАУ с трёхдиагональной матрицей следует использовать какой-либо её параллельный заменитель, например, наиболее распространённую циклическую редукцию или уступающий ей по критическому пути графа, но имеющий более регулярную структуру графа новый последовательно-параллельный вариант.