Perhitungan struktur sparsity untuk matriks elemen hingga

13

Pertanyaan: Metode apa yang tersedia untuk secara akurat dan efisien menghitung struktur sparsity dari matriks elemen hingga?

Info: Saya sedang mengerjakan pemecah Persamaan Tekanan Poisson, menggunakan metode Galerkin dengan basis Lagrange kuadratik, ditulis dalam C, dan menggunakan PETSc untuk penyimpanan matriks jarang dan rutinitas KSP. Untuk menggunakan PETSc secara efisien, saya perlu mengalokasikan memori untuk matriks kekakuan global.

Saat ini, saya sedang melakukan perakitan tiruan untuk memperkirakan jumlah nonzeros per baris sebagai berikut (pseudocode)

int nnz[global_dim]
for E=1 to NUM_ELTS
  for i=1 to 6
    gi = global index of i 
    if node gi is free
      for j=1 to 6
        gj = global index of j
        if node gj is free 
          nnz[i]++

Namun, ini terlalu tinggi nnz karena beberapa interaksi node-node dapat terjadi dalam beberapa elemen.

Saya telah mempertimbangkan untuk mencoba melacak interaksi yang saya temukan, tetapi saya tidak yakin bagaimana melakukan ini tanpa menggunakan banyak memori. Saya juga bisa mengulang simpul, dan menemukan dukungan fungsi dasar yang berpusat pada simpul itu, tetapi kemudian saya harus mencari semua elemen untuk setiap simpul, yang tampaknya tidak efisien.

Saya menemukan pertanyaan baru-baru ini , yang berisi beberapa informasi berguna, terutama dari Stefano M, yang menulis

saran saya adalah untuk mengimplementasikannya dalam python atau C, menerapkan beberapa konsep teori grafik, yaitu mempertimbangkan elemen dalam matriks sebagai tepi dalam grafik dan menghitung struktur sparsity dari matriks adjacency. Daftar daftar atau kamus kunci adalah pilihan umum.

Saya mencari lebih banyak detail dan sumber daya tentang ini. Saya diakui tidak tahu banyak teori grafik, dan saya tidak terbiasa dengan semua trik CS yang mungkin berguna (saya mendekati ini dari sisi matematika).

Terima kasih!

matrix finite-element petsc performance John Edwardson
sumber

5

Gagasan Anda untuk melacak di mana interaksi yang Anda temukan dapat berhasil, saya pikir itulah "trik CS" yang Anda dan Stefano M maksud. Ini sama dengan membangun matriks jarang Anda dalam format daftar daftar .

Tidak yakin berapa banyak CS yang Anda miliki, jadi saya minta maaf jika ini sudah diketahui oleh Anda: dalam struktur data daftar tertaut , setiap entri menyimpan pointer ke entri setelah itu dan entri sebelumnya. Menambahkan dan menghapus entri murah, tetapi tidak semudah menemukan item di dalamnya - Anda mungkin harus melihat semuanya.

Jadi, untuk setiap simpul i, Anda menyimpan daftar tertaut. Kemudian Anda beralih melalui semua elemen; jika Anda menemukan dua node i dan j terhubung, Anda bisa melihat daftar tertaut i. Jika j belum ada di sana, Anda menambahkannya ke daftar, dan juga menambahkan saya ke daftar j. Ini paling mudah jika Anda menambahkannya secara berurutan.

Setelah Anda mengisi daftar daftar Anda, Anda sekarang tahu jumlah entri tidak nol di setiap baris matriks: itu panjang daftar simpul itu. Informasi ini persis apa yang Anda butuhkan untuk melakukan praallocate matriks jarang dalam struktur data matriks PETSc. Maka Anda dapat membebaskan daftar Anda karena Anda tidak membutuhkannya lagi.

Namun, pendekatan ini mengasumsikan bahwa yang Anda miliki hanyalah daftar node yang berisi setiap elemen.

Beberapa paket pembuatan mesh - Triangle misalnya - dapat menampilkan tidak hanya daftar elemen dan node mana yang dikandungnya, tetapi juga daftar setiap sisi dalam triangulasi Anda. Dalam hal ini, Anda tidak memiliki risiko melebih-lebihkan jumlah entri yang tidak nol: untuk elemen linier piecewise, setiap sisi memberi Anda tepat 2 entri matriks kekakuan. Anda menggunakan kuadrat piecewise, sehingga setiap sisi dihitung untuk 4 entri, tetapi Anda mendapatkan idenya. Dalam hal ini, Anda dapat menemukan jumlah entri bukan nol per baris dengan satu melewati daftar tepi menggunakan array biasa.

Dengan pendekatan itu, Anda harus membaca file ekstra besar dari hard disk, yang sebenarnya bisa lebih lambat daripada menggunakan daftar elemen jika perhitungan Anda yang sebenarnya tidak sebesar itu. Meskipun demikian, saya pikir ini lebih sederhana.

Daniel Shapero
sumber

Terima kasih. Saya memiliki daftar tepi yang tersedia, jadi saya kemungkinan akan menggunakan metode kedua Anda untuk saat ini, tetapi saya mungkin kembali dan mencoba metode pertama, hanya untuk mengotori tangan saya dengan daftar yang ditautkan dan semacamnya (terima kasih atas intro ... Saya ' Saya baru saja mengambil kelas CS dasar, dan walaupun saya mahir dalam pemrograman, saya tidak tahu sebanyak yang seharusnya tentang struktur data dan algoritma)

John Edwardson

Saya senang bisa membantu! Saya mengambil banyak pengetahuan CS dari ini: books.google.com/books?isbn=0262032937 - untuk cinta Tuhan, baca tentang analisis diamortisasi. Memprogram daftar tertaut Anda sendiri atau struktur data pohon pencarian biner dalam C sepadan dengan masalahnya.

Daniel Shapero

5

Jika Anda menetapkan jala Anda sebagai DMPlex dan tata letak data Anda sebagai PetscSection, maka DMCreateMatrix () akan memberi Anda matriks yang telah dialokasikan sebelumnya secara otomatis. Berikut adalah contoh-contoh PETSc untuk Masalah Poisson dan Masalah Stokes .

Matt Knepley
sumber

2

Terpilih

Saya pribadi tidak tahu ada cara murah untuk melakukan ini jadi saya hanya melebih-lebihkan angka yaitu, gunakan nilai yang cukup besar untuk semua baris.

Misalnya, untuk mesh yang terstruktur sempurna yang terbuat dari elemen hex 8 node linier, nnzs per baris di blok diagonal dan diagonal off dof * 27 Untuk sebagian besar jerat heks yang sepenuhnya tidak terstruktur secara otomatis, jumlahnya jarang melebihi * 54. Untuk linear tets saya tidak pernah memiliki kebutuhan untuk melampaui dof * 30. Untuk beberapa jerat dengan elemen rasio aspek berbentuk sangat rendah / rendah, Anda mungkin harus menggunakan nilai yang sedikit lebih besar.

Hukumannya adalah konsumsi memori lokal (pada peringkat) adalah antara 2x-5x sehingga Anda mungkin harus menggunakan lebih banyak node komputasi pada cluster Anda daripada biasanya.

Btw saya memang mencoba menggunakan daftar dicari tetapi waktu yang dibutuhkan untuk menentukan struktur sparsity lebih dari perakitan / pemecahan. Tetapi implementasi saya sangat sederhana dan tidak menggunakan informasi tentang edge.

Pilihan lainnya adalah menggunakan rutinitas seperti DMMeshCreateExodus seperti yang ditunjukkan dalam contoh ini .

stali
sumber

0

Anda ingin menghitung semua koneksi unik (gi, gj), yang menyarankan penempatan semuanya ke dalam wadah asosiatif (non-duplikasi) dan kemudian menghitung kardinalitasnya - dalam C ++ ini akan menjadi std :: set <std :: pair <int, int>>. Di kodesemu, Anda akan mengganti "nnz [i] ++" dengan "s.insert [pair (gi, gj)]", dan kemudian jumlah akhir dari nonzeros adalah s.size (). Ini harus dijalankan dalam waktu O (n-log-n), di mana n adalah jumlah nonzeros.

Karena Anda mungkin sudah mengetahui kisaran gi yang mungkin, Anda dapat "merentang" tabel dengan indeks gi untuk meningkatkan kinerja. Ini mengganti set Anda dengan std :: vector <std :: set <int>>. Anda mengisi itu dengan "v [gi] .insert (gj)", maka jumlah total nonzeros berasal dari menjumlahkan v [gi] .size () untuk semua gi. Ini harus dijalankan dalam waktu O (n-log-k), di mana k adalah jumlah tidak diketahui per elemen (enam untuk Anda - pada dasarnya konstanta untuk sebagian besar kode pde, kecuali jika Anda berbicara tentang metode-hp).

(Catatan - ingin ini menjadi komentar pada jawaban yang dipilih, tetapi terlalu lama - maaf!)

rchilton1980
sumber

0

$E^T$ $\times$

E_{saya j}^{T} = {\begin{array}{cc} 1 & saya f d Hai f j \in e l e m e n t saya \\ 0 & e l s e w h e r e \end{array}

$E_{ij}^T = \left\{ \begin{array}{cc} 1 & \mathrm{if\ dof}\ j \in \mathrm{element}\ i \\ 0 & \mathrm{elsewhere} \end{array} \right.$

A = E E^{T}

$A = E\, E^T$

E^{T}

$E^T$

E^{T}

$E^T$

E

$E$

Nicola Cavallini
sumber

Perhitungan struktur sparsity untuk matriks elemen hingga

Jawaban: