Quellcodebibliothek Statistik Leitseite products/Sources/formale Sprachen/C/MySQL/unsupported/Eigen/src/IterativeSolvers/   (MySQL Server Version 8.1-8.4©)  Datei vom 12.11.2025 mit Größe 17 kB image not shown  

Quelle  DGMRES.h   Sprache: C

 
// This file is part of Eigen, a lightweight C++ template library
// for linear algebra.
//
// Copyright (C) 2012 Désiré Nuentsa-Wakam <desire.nuentsa_wakam@inria.fr>
//
// This Source Code Form is subject to the terms of the Mozilla
// Public License v. 2.0. If a copy of the MPL was not distributed
// with this file, You can obtain one at http://mozilla.org/MPL/2.0/.

#ifndef EIGEN_DGMRES_H
#define EIGEN_DGMRES_H

#include "../../../../Eigen/Eigenvalues"

namespace Eigen { 
  
templatetypename _MatrixType,
          typename _Preconditioner = DiagonalPreconditioner<typename _MatrixType::Scalar> >
class DGMRES;

namespace internal {

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
struct traits<DGMRES<_MatrixType,_Preconditioner> >
{
  typedef _MatrixType MatrixType;
  typedef _Preconditioner Preconditioner;
};

/** \brief Computes a permutation vector to have a sorted sequence
  * \param vec The vector to reorder.
  * \param perm gives the sorted sequence on output. Must be initialized with 0..n-1
  * \param ncut Put  the ncut smallest elements at the end of the vector
  * WARNING This is an expensive sort, so should be used only 
  * for small size vectors
  * TODO Use modified QuickSplit or std::nth_element to get the smallest values 
  */

template <typename VectorType, typename IndexType>
void sortWithPermutation (VectorType& vec, IndexType& perm, typename IndexType::Scalar& ncut)
{
  eigen_assert(vec.size() == perm.size());
  bool flag; 
  for (Index k  = 0; k < ncut; k++)
  {
    flag = false;
    for (Index j = 0; j < vec.size()-1; j++)
    {
      if ( vec(perm(j)) < vec(perm(j+1)) )
      {
        std::swap(perm(j),perm(j+1)); 
        flag = true;
      }
      if (!flag) break// The vector is in sorted order
    }
  }
}

}
/**
 * \ingroup IterativeLinearSolvers_Module
 * \brief A Restarted GMRES with deflation.
 * This class implements a modification of the GMRES solver for
 * sparse linear systems. The basis is built with modified 
 * Gram-Schmidt. At each restart, a few approximated eigenvectors
 * corresponding to the smallest eigenvalues are used to build a
 * preconditioner for the next cycle. This preconditioner 
 * for deflation can be combined with any other preconditioner, 
 * the IncompleteLUT for instance. The preconditioner is applied 
 * at right of the matrix and the combination is multiplicative.
 * 
 * \tparam _MatrixType the type of the sparse matrix A, can be a dense or a sparse matrix.
 * \tparam _Preconditioner the type of the preconditioner. Default is DiagonalPreconditioner
 * Typical usage :
 * \code
 * SparseMatrix<double> A;
 * VectorXd x, b; 
 * //Fill A and b ...
 * DGMRES<SparseMatrix<double> > solver;
 * solver.set_restart(30); // Set restarting value
 * solver.setEigenv(1); // Set the number of eigenvalues to deflate
 * solver.compute(A);
 * x = solver.solve(b);
 * \endcode
 * 
 * DGMRES can also be used in a matrix-free context, see the following \link MatrixfreeSolverExample example \endlink.
 *
 * References :
 * [1] D. NUENTSA WAKAM and F. PACULL, Memory Efficient Hybrid
 *  Algebraic Solvers for Linear Systems Arising from Compressible
 *  Flows, Computers and Fluids, In Press,
 *  https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2012.03.023   
 * [2] K. Burrage and J. Erhel, On the performance of various 
 * adaptive preconditioned GMRES strategies, 5(1998), 101-121.
 * [3] J. Erhel, K. Burrage and B. Pohl, Restarted GMRES 
 *  preconditioned by deflation,J. Computational and Applied
 *  Mathematics, 69(1996), 303-318. 

 * 
 */

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
class DGMRES : public IterativeSolverBase<DGMRES<_MatrixType,_Preconditioner> >
{
    typedef IterativeSolverBase<DGMRES> Base;
    using Base::matrix;
    using Base::m_error;
    using Base::m_iterations;
    using Base::m_info;
    using Base::m_isInitialized;
    using Base::m_tolerance; 
  public:
    using Base::_solve_impl;
    using Base::_solve_with_guess_impl;
    typedef _MatrixType MatrixType;
    typedef typename MatrixType::Scalar Scalar;
    typedef typename MatrixType::StorageIndex StorageIndex;
    typedef typename MatrixType::RealScalar RealScalar;
    typedef _Preconditioner Preconditioner;
    typedef Matrix<Scalar,Dynamic,Dynamic> DenseMatrix; 
    typedef Matrix<RealScalar,Dynamic,Dynamic> DenseRealMatrix; 
    typedef Matrix<Scalar,Dynamic,1> DenseVector;
    typedef Matrix<RealScalar,Dynamic,1> DenseRealVector; 
    typedef Matrix<std::complex<RealScalar>, Dynamic, 1> ComplexVector;
 
    
  /** Default constructor. */
  DGMRES() : Base(),m_restart(30),m_neig(0),m_r(0),m_maxNeig(5),m_isDeflAllocated(false),m_isDeflInitialized(false) {}

  /** Initialize the solver with matrix \a A for further \c Ax=b solving.
    * 
    * This constructor is a shortcut for the default constructor followed
    * by a call to compute().
    * 
    * \warning this class stores a reference to the matrix A as well as some
    * precomputed values that depend on it. Therefore, if \a A is changed
    * this class becomes invalid. Call compute() to update it with the new
    * matrix A, or modify a copy of A.
    */

  template<typename MatrixDerived>
  explicit DGMRES(const EigenBase<MatrixDerived>& A) : Base(A.derived()), m_restart(30),m_neig(0),m_r(0),m_maxNeig(5),m_isDeflAllocated(false),m_isDeflInitialized(false) {}

  ~DGMRES() {}
  
  /** \internal */
  template<typename Rhs,typename Dest>
  void _solve_vector_with_guess_impl(const Rhs& b, Dest& x) const
  {
    EIGEN_STATIC_ASSERT(Rhs::ColsAtCompileTime==1 || Dest::ColsAtCompileTime==1, YOU_TRIED_CALLING_A_VECTOR_METHOD_ON_A_MATRIX);
    
    m_iterations = Base::maxIterations();
    m_error = Base::m_tolerance;
    
    dgmres(matrix(), b, x, Base::m_preconditioner);
  }

  /** 
   * Get the restart value
    */

  Index restart() { return m_restart; }
  
  /** 
   * Set the restart value (default is 30)  
   */

  void set_restart(const Index restart) { m_restart=restart; }
  
  /** 
   * Set the number of eigenvalues to deflate at each restart 
   */

  void setEigenv(const Index neig) 
  {
    m_neig = neig;
    if (neig+1 > m_maxNeig) m_maxNeig = neig+1; // To allow for complex conjugates
  }
  
  /** 
   * Get the size of the deflation subspace size
   */

  Index deflSize() {return m_r; }
  
  /**
   * Set the maximum size of the deflation subspace
   */

  void setMaxEigenv(const Index maxNeig) { m_maxNeig = maxNeig; }
  
  protected:
    // DGMRES algorithm 
    template<typename Rhs, typename Dest>
    void dgmres(const MatrixType& mat,const Rhs& rhs, Dest& x, const Preconditioner& precond) const;
    // Perform one cycle of GMRES
    template<typename Dest>
    Index dgmresCycle(const MatrixType& mat, const Preconditioner& precond, Dest&&nbsp;x, DenseVector& r0, RealScalar& beta, const RealScalar& normRhs, Index& nbIts) const
    // Compute data to use for deflation 
    Index dgmresComputeDeflationData(const MatrixType& mat, const Preconditioner& precond, const Index& it, StorageIndex& neig) const;
    // Apply deflation to a vector
    template<typename RhsType, typename DestType>
    Index dgmresApplyDeflation(const RhsType& In, DestType& Out) const
    ComplexVector schurValues(const ComplexSchur<DenseMatrix>& schurofH) const;
    ComplexVector schurValues(const RealSchur<DenseMatrix>& schurofH) const;
    // Init data for deflation
    void dgmresInitDeflation(Index& rows) const
    mutable DenseMatrix m_V; // Krylov basis vectors
    mutable DenseMatrix m_H; // Hessenberg matrix 
    mutable DenseMatrix m_Hes; // Initial hessenberg matrix without Givens rotations applied
    mutable Index m_restart; // Maximum size of the Krylov subspace
    mutable DenseMatrix m_U; // Vectors that form the basis of the invariant subspace 
    mutable DenseMatrix m_MU; // matrix operator applied to m_U (for next cycles)
    mutable DenseMatrix m_T; /* T=U^T*M^{-1}*A*U */
    mutable PartialPivLU<DenseMatrix> m_luT; // LU factorization of m_T
    mutable StorageIndex m_neig; //Number of eigenvalues to extract at each restart
    mutable Index m_r; // Current number of deflated eigenvalues, size of m_U
    mutable Index m_maxNeig; // Maximum number of eigenvalues to deflate
    mutable RealScalar m_lambdaN; //Modulus of the largest eigenvalue of A
    mutable bool m_isDeflAllocated;
    mutable bool m_isDeflInitialized;
    
    //Adaptive strategy 
    mutable RealScalar m_smv; // Smaller multiple of the remaining number of steps allowed
    mutable bool m_force; // Force the use of deflation at each restart
    
}; 
/** 
 * \brief Perform several cycles of restarted GMRES with modified Gram Schmidt, 
 * 
 * A right preconditioner is used combined with deflation.
 * 
 */

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
template<typename Rhs, typename Dest>
void DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::dgmres(const MatrixType& mat,const Rhs&&nbsp;rhs, Dest& x,
              const Preconditioner& precond) const
{
  const RealScalar considerAsZero = (std::numeric_limits<RealScalar>::min)();

  RealScalar normRhs = rhs.norm();
  if(normRhs <= considerAsZero) 
  {
    x.setZero();
    m_error = 0;
    return;
  }

  //Initialization
  m_isDeflInitialized = false;
  Index n = mat.rows(); 
  DenseVector r0(n); 
  Index nbIts = 0; 
  m_H.resize(m_restart+1, m_restart);
  m_Hes.resize(m_restart, m_restart);
  m_V.resize(n,m_restart+1);
  //Initial residual vector and initial norm
  if(x.squaredNorm()==0) 
    x = precond.solve(rhs);
  r0 = rhs - mat * x; 
  RealScalar beta = r0.norm(); 
  
  m_error = beta/normRhs; 
  if(m_error < m_tolerance)
    m_info = Success; 
  else
    m_info = NoConvergence;
  
  // Iterative process
  while (nbIts < m_iterations && m_info == NoConvergence)
  {
    dgmresCycle(mat, precond, x, r0, beta, normRhs, nbIts); 
    
    // Compute the new residual vector for the restart 
    if (nbIts < m_iterations && m_info == NoConvergence) {
      r0 = rhs - mat * x;
      beta = r0.norm();
    }
  }


/**
 * \brief Perform one restart cycle of DGMRES
 * \param mat The coefficient matrix
 * \param precond The preconditioner
 * \param x the new approximated solution
 * \param r0 The initial residual vector
 * \param beta The norm of the residual computed so far
 * \param normRhs The norm of the right hand side vector
 * \param nbIts The number of iterations
 */

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
template<typename Dest>
Index DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::dgmresCycle(const MatrixType& mat, const Preconditioner& precond, Dest& x, DenseVector& r0, RealScalar& beta, const RealScalar& normRhs, Index& nbIts) const
{
  //Initialization 
  DenseVector g(m_restart+1); // Right hand side of the least square problem
  g.setZero();  
  g(0) = Scalar(beta); 
  m_V.col(0) = r0/beta; 
  m_info = NoConvergence; 
  std::vector<JacobiRotation<Scalar> >gr(m_restart); // Givens rotations
  Index it = 0; // Number of inner iterations 
  Index n = mat.rows();
  DenseVector tv1(n), tv2(n);  //Temporary vectors
  while (m_info == NoConvergence && it < m_restart && nbIts < m_iterations)
  {    
    // Apply preconditioner(s) at right
    if (m_isDeflInitialized )
    {
      dgmresApplyDeflation(m_V.col(it), tv1); // Deflation
      tv2 = precond.solve(tv1); 
    }
    else
    {
      tv2 = precond.solve(m_V.col(it)); // User's selected preconditioner
    }
    tv1 = mat * tv2; 
   
    // Orthogonalize it with the previous basis in the basis using modified Gram-Schmidt
    Scalar coef; 
    for (Index i = 0; i <= it; ++i)
    { 
      coef = tv1.dot(m_V.col(i));
      tv1 = tv1 - coef * m_V.col(i); 
      m_H(i,it) = coef; 
      m_Hes(i,it) = coef; 
    }
    // Normalize the vector 
    coef = tv1.norm(); 
    m_V.col(it+1) = tv1/coef;
    m_H(it+1, it) = coef;
//     m_Hes(it+1,it) = coef; 
    
    // FIXME Check for happy breakdown 
    
    // Update Hessenberg matrix with Givens rotations
    for (Index i = 1; i <= it; ++i) 
    {
      m_H.col(it).applyOnTheLeft(i-1,i,gr[i-1].adjoint());
    }
    // Compute the new plane rotation 
    gr[it].makeGivens(m_H(it, it), m_H(it+1,it)); 
    // Apply the new rotation
    m_H.col(it).applyOnTheLeft(it,it+1,gr[it].adjoint());
    g.applyOnTheLeft(it,it+1, gr[it].adjoint()); 
    
    beta = std::abs(g(it+1));
    m_error = beta/normRhs; 
    // std::cerr << nbIts << " Relative Residual Norm " << m_error << std::endl;
    it++; nbIts++; 
    
    if (m_error < m_tolerance)
    {
      // The method has converged
      m_info = Success;
      break;
    }
  }
  
  // Compute the new coefficients by solving the least square problem
//   it++;
  //FIXME  Check first if the matrix is singular ... zero diagonal
  DenseVector nrs(m_restart); 
  nrs = m_H.topLeftCorner(it,it).template triangularView<Upper>().solve(g.head(it)); 
  
  // Form the new solution
  if (m_isDeflInitialized)
  {
    tv1 = m_V.leftCols(it) * nrs; 
    dgmresApplyDeflation(tv1, tv2); 
    x = x + precond.solve(tv2);
  }
  else
    x = x + precond.solve(m_V.leftCols(it) * nrs); 
  
  // Go for a new cycle and compute data for deflation
  if(nbIts < m_iterations && m_info == NoConvergence && m_neig > 0 && (m_r+m_neig) < m_maxNeig)
    dgmresComputeDeflationData(mat, precond, it, m_neig); 
  return 0; 
  
}


templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
void DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::dgmresInitDeflation(Index& rows) const
{
  m_U.resize(rows, m_maxNeig);
  m_MU.resize(rows, m_maxNeig); 
  m_T.resize(m_maxNeig, m_maxNeig);
  m_lambdaN = 0.0; 
  m_isDeflAllocated = true
}

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
inline typename DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::ComplexVector DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::schurValues(const ComplexSchur<DenseMatrix>& schurofH) const
{
  return schurofH.matrixT().diagonal();
}

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
inline typename DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::ComplexVector DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::schurValues(const RealSchur<DenseMatrix>& schurofH) const
{
  const DenseMatrix& T = schurofH.matrixT();
  Index it = T.rows();
  ComplexVector eig(it);
  Index j = 0;
  while (j < it-1)
  {
    if (T(j+1,j) ==Scalar(0))
    {
      eig(j) = std::complex<RealScalar>(T(j,j),RealScalar(0)); 
      j++; 
    }
    else
    {
      eig(j) = std::complex<RealScalar>(T(j,j),T(j+1,j)); 
      eig(j+1) = std::complex<RealScalar>(T(j,j+1),T(j+1,j+1));
      j++;
    }
  }
  if (j < it-1) eig(j) = std::complex<RealScalar>(T(j,j),RealScalar(0));
  return eig;
}

templatetypename _MatrixType, typename _Preconditioner>
Index DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::dgmresComputeDeflationData(const MatrixType& mat, const Preconditioner& precond, const Index& it, StorageIndex& neig) const
{
  // First, find the Schur form of the Hessenberg matrix H
  typename internal::conditional<NumTraits<Scalar>::IsComplex, ComplexSchur<DenseMatrix>, RealSchur<DenseMatrix> >::type schurofH; 
  bool computeU = true;
  DenseMatrix matrixQ(it,it); 
  matrixQ.setIdentity();
  schurofH.computeFromHessenberg(m_Hes.topLeftCorner(it,it), matrixQ, computeU); 
  
  ComplexVector eig(it);
  Matrix<StorageIndex,Dynamic,1>perm(it);
  eig = this->schurValues(schurofH);
  
  // Reorder the absolute values of Schur values
  DenseRealVector modulEig(it); 
  for (Index j=0; j<it; ++j) modulEig(j) = std::abs(eig(j)); 
  perm.setLinSpaced(it,0,internal::convert_index<StorageIndex>(it-1));
  internal::sortWithPermutation(modulEig, perm, neig);
  
  if (!m_lambdaN)
  {
    m_lambdaN = (std::max)(modulEig.maxCoeff(), m_lambdaN);
  }
  //Count the real number of extracted eigenvalues (with complex conjugates)
  Index nbrEig = 0; 
  while (nbrEig < neig)
  {
    if(eig(perm(it-nbrEig-1)).imag() == RealScalar(0)) nbrEig++; 
    else nbrEig += 2; 
  }
  // Extract the  Schur vectors corresponding to the smallest Ritz values
  DenseMatrix Sr(it, nbrEig); 
  Sr.setZero();
  for (Index j = 0; j < nbrEig; j++)
  {
    Sr.col(j) = schurofH.matrixU().col(perm(it-j-1));
  }
  
  // Form the Schur vectors of the initial matrix using the Krylov basis
  DenseMatrix X; 
  X = m_V.leftCols(it) * Sr;
  if (m_r)
  {
   // Orthogonalize X against m_U using modified Gram-Schmidt
   for (Index j = 0; j < nbrEig; j++)
     for (Index k =0; k < m_r; k++)
      X.col(j) = X.col(j) - (m_U.col(k).dot(X.col(j)))*m_U.col(k); 
  }
  
  // Compute m_MX = A * M^-1 * X
  Index m = m_V.rows();
  if (!m_isDeflAllocated) 
    dgmresInitDeflation(m); 
  DenseMatrix MX(m, nbrEig);
  DenseVector tv1(m);
  for (Index j = 0; j < nbrEig; j++)
  {
    tv1 = mat * X.col(j);
    MX.col(j) = precond.solve(tv1);
  }
  
  //Update m_T = [U'MU U'MX; X'MU X'MX]
  m_T.block(m_r, m_r, nbrEig, nbrEig) = X.transpose() * MX; 
  if(m_r)
  {
    m_T.block(0, m_r, m_r, nbrEig) = m_U.leftCols(m_r).transpose() * MX; 
    m_T.block(m_r, 0, nbrEig, m_r) = X.transpose() * m_MU.leftCols(m_r);
  }
  
  // Save X into m_U and m_MX in m_MU
  for (Index j = 0; j < nbrEig; j++) m_U.col(m_r+j) = X.col(j);
  for (Index j = 0; j < nbrEig; j++) m_MU.col(m_r+j) = MX.col(j);
  // Increase the size of the invariant subspace
  m_r += nbrEig; 
  
  // Factorize m_T into m_luT
  m_luT.compute(m_T.topLeftCorner(m_r, m_r));
  
  //FIXME CHeck if the factorization was correctly done (nonsingular matrix)
  m_isDeflInitialized = true;
  return 0; 
}
template<typename _MatrixType, typename _Preconditioner>
template<typename RhsType, typename DestType>
Index DGMRES<_MatrixType, _Preconditioner>::dgmresApplyDeflation(const RhsType &x, DestType &y) const
{
  DenseVector x1 = m_U.leftCols(m_r).transpose() * x; 
  y = x + m_U.leftCols(m_r) * ( m_lambdaN * m_luT.solve(x1) - x1);
  return 0; 
}

// end namespace Eigen
#endif 

87%


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.15 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.