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 [math]n=MN[/math], тогда исходную матрицу [math]A[/math] размера [math]n\times n[/math] можно представить как блочную матрицу размера [math]N\times N[/math] с блоками размера [math]M\times M[/math]. Все формулы, используемые для получения точечного разложения Холецкого, для блочной матрицы [math]А[/math] останутся практически без изменений. Вместо явного обращения диагональных блоков, эффективнее будет хранить их в факторизованном виде [math]D_{ii}=L_{ii}L^T_{ii}[/math], 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 [math]M[/math] 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 [math]M[/math] во внутренних циклах (прием "разворачивания цикла" или "loop unrolling").

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

Если исходная матрица [math]A[/math] представлена в разреженном виде, то для экономии памяти, а также арифметических операций, необходимо учитывать ее разреженность. В этом разделе необходимо рассмотреть три следующие вида разреженности:

1. ленточная матрица - матрица,ненулевые элементы которой сосредоточены внутри ленты шириной [math]2d+1[/math], т.е. когда [math]a_{ij}=0[/math], если [math]|i-j|\gt d[/math]. 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 [math]A[/math], а также в нижнетреугольном множителе [math]L[/math] будет около [math](d+1)n[/math], а арифметичекие затраты соcтавят приблизительно [math]d^2n[/math]. 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 [math]L[/math] все-равно будет определяться исключительно наличием самой внешней (дальней) диагонали.

2. профильная матрица - в более общем случае, заполнение в каждой строке треугольного множителе [math]L[/math] 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 [math]L[/math].

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

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

(плотные блоки небольшого размера, равного количеству неизвестных функций на узел, или выбираемому искуственно)

5 Разложение Холецкого для эрмитовой матрицы

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

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.