Перемножение плотных неособенных матриц (последовательный вещественный вариант)

Основные авторы описания: А.В.Фролов.

1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Перемножение матриц - одна из базовых задач в алгоритмах линейной алгебры, широко применяется в большом количестве разных методов. Здесь мы рассмотрим умножение [math]C = AB[/math]  плотных неособенных матриц (последовательный вещественный вариант), то есть тот вариант, где никак не используются ни специальный вид матрицы, ни ассоциативные свойства операции сложения.

1.2 Математическое описание алгоритма

Исходные данные: плотная матрица [math]A[/math] (элементы [math]a_{ij}[/math]), плотная матрица [math]B[/math] (элементы [math]b_{ij}[/math]).

Вычисляемые данные: плотная матрица [math]C[/math] (элементы [math]c_{ij}[/math]).

Формулы метода:

[math] \begin{align} c_{ij} = \sum_{k = 1}^{n} a_{ik} b_{kj}, \quad i \in [1, m], \quad j \in [1, l]. \end{align} [/math]

Существует также блочная версия метода, однако в данном описании разобран только точечный метод.

1.3 Вычислительное ядро алгоритма

Вычислительное ядро перемножения плотных неособенных матриц можно составить из множественных (всего их [math]l[/math]) вычислений умножения матрицы [math]A[/math] на столбцы матрицы [math]B[/math], или (при более детальном рассмотрении), из множественных (всего их [math]ml[/math]) скалярных произведений строк матрицы [math]A[/math] на столбцы матрицы [math]B[/math]:

[math]\sum_{k = 1}^{n} a_{ik} b_{kj}[/math]

в режиме накопления или без него, в зависимости от требований задачи.

1.4 Макроструктура алгоритма

Как уже записано в описании ядра алгоритма, основную часть умножения матриц составляют множественные (всего [math]ml[/math]) вычисления скалярных произведений строк матрицы [math]A[/math] на столбцы матрицы [math]B[/math]

[math]\sum_{k = 1}^{n} a_{ik} b_{kj}[/math]

в режиме накопления или без него.

1.5 Схема реализации последовательного алгоритма

Для всех [math]i[/math] от [math]1[/math] до [math]m[/math] и для всех [math]j[/math] от [math]1[/math] до [math]l[/math] выполняются

[math]c_{ij} = \sum_{k = 1}^{n} a_{ik} b_{kj}[/math]

Особо отметим, что вычисления сумм вида [math]\sum_{k = 1}^{n} a_{ik} b_{kj}[/math] производят в режиме накопления прибавлением к текущему (временному) значению вычисляемого элемента матрицы [math]c_{ij}[/math] произведений [math]a_{ik} b_{kj}[/math] для [math]k[/math] от [math]1[/math] до [math]n[/math], c возрастанием [math]k[/math], вначале все элементы инициализируются нулями. При суммировании "по убыванию" общая схема принципиально не отличается и потому нами не рассматривается. Другие порядки выполнения суммирования приводят к изменению параллельных свойств алгоритма и будут рассматриваться нами в отдельных описаниях.

1.6 Последовательная сложность алгоритма

Для умножения двух квадратных матриц порядка [math]n[/math] (т.е. при [math]m=n=l[/math]) в последовательном (наиболее быстром) варианте требуется:

• по [math]n^3[/math] умножений и сложений.

Для умножения матрицы размером [math]m[/math] строк на [math]n[/math] столбцов на матрицу размером [math]m[/math] строк на [math]n[/math] столбцов в последовательном (наиболее быстром) варианте требуется:

• по [math]mnl[/math] умножений и сложений.

При этом использование режима накопления требует совершения умножений и сложений в режиме двойной точности (или использования функции вроде DPROD в Фортране), что ещё больше увеличивает затраты во времени, требуемом для выполнения умножения матриц.

При классификации по последовательной сложности, таким образом, алгоритм умножения матриц относится к алгоритмам с кубической сложностью (в случае неквадратных матриц - с трилинейной).

1.7 Информационный граф

Опишем граф алгоритма как аналитически, так и в виде рисунка.

Граф алгоритма умножения плотных матриц состоит из одной группы вершин, расположенной в целочисленных узлах трёхмерной области, соответствующая ей операция [math]a+bc[/math].

Естественно введённые координаты области таковы:

• [math]i[/math] — меняется в диапазоне от [math]1[/math] до [math]m[/math], принимая все целочисленные значения;
• [math]j[/math] — меняется в диапазоне от [math]1[/math] до [math]l[/math], принимая все целочисленные значения;
• [math]k[/math] — меняется в диапазоне от [math]1[/math] до [math]n[/math], принимая все целочисленные значения.

Аргументы операции следующие:

• [math]a[/math]:
  • при [math]k = 1[/math] константа [math]0[/math];
  • при [math]k \gt 1[/math] — результат срабатывания операции, соответствующей вершине с координатами [math]i, j, k-1[/math];
• [math]b[/math] — элемент входных данных, а именно [math]a_{ik}[/math];
• [math]c[/math] - элемент входных данных [math]b_{kj}[/math];

Результат срабатывания операции является:

• при [math]k \lt n[/math] - промежуточным данным алгоритма;
• при [math]k = n[/math] - выходным данным [math]c_{ij}[/math].

Рисунок 1. Умножение плотных матриц с отображением выходных данных

Интерактивное изображение графа алгоритма без входных и выходных данных для случая перемножения двух квадратных матриц порядка 3 и 4

1.8 Ресурс параллелизма алгоритма

Для алгоритма умножения квадратных матриц порядка n в параллельном варианте требуется последовательно выполнить следующие ярусы:

• по [math]n[/math] ярусов умножений и сложений (в каждом из ярусов — [math]n^2[/math] операций).

Для умножения матрицы размером [math]m[/math] строк на [math]n[/math] столбцов на матрицу размером [math]n[/math] строк на [math]l[/math] столбцов в последовательном (наиболее быстром) варианте требуется:

• по [math]n[/math] ярусов умножений и сложений (в каждом из ярусов — [math]ml[/math] операций).

При этом использование режима накопления требует совершения умножений и вычитаний в режиме двойной точности, а в параллельном варианте это означает, что практически все промежуточные вычисления для выполнения алгоритма в режиме накопления должны быть двойной точности. В отличие от последовательного варианта это означает некоторое увеличение требуемой памяти.

При классификации по высоте ЯПФ, таким образом, алгоритм умножения матриц относится к алгоритмам с линейной сложностью. При классификации по ширине ЯПФ его сложность также будет квадратичной (для квадратных матриц) или билинейной (для матриц общего вида).

1.9 Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные: матрица [math]A[/math] (элементы [math]a_{ij}[/math]), матрица [math]B[/math] (элементы [math]b_{ij}[/math])).

Объём входных данных: [math]mn+nl[/math]

Выходные данные: матрица [math]C[/math] (элементы [math]c_{ij}[/math]).

Объём выходных данных: [math]ml[/math]

1.10 Свойства алгоритма

Соотношение последовательной и параллельной сложности в случае неограниченных ресурсов, как хорошо видно, является квадратичным или билинейным (отношение кубической или трилинейной к линейной).

При этом вычислительная мощность алгоритма умножения матриц, как отношение числа операций к суммарному объему входных и выходных данных – линейно.

При этом алгоритм умножения матриц полностью детерминирован. Использование другого порядка выполнения ассоциативных операций в данной версии нами не рассматривается.

2 Программная реализация алгоритма

2.1 Особенности реализации последовательного алгоритма

В простейшем варианте алгоритм умножения матриц на Фортране можно записать так:

         
	DO  I = 1, M
        DO  J = 1, L
		S = 0.
		DO  K = 1, N
			S = S + DPROD(A(I,K), B(K,J))
		END DO	
	        C(I, J) = S
        END DO
	END DO

При этом для реализации режима накопления переменная [math]S[/math] должна быть двойной точности.