dissertação
Uma revisão de heurísticas para renumeração de vértices para redução do custo de execução do método GMRES pré-condicionado
Registration in:
CARVALHO, C. V. de. Uma revisão de heurísticas para renumeração de vértices para redução do custo de execução do método GMRES pré-condicionado. 2018. 126 p. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2018.
Author
Carvalho, Cláudio Vinícius de
Institutions
Abstract
Systems of linear equations that involve large sparse matrices arising from the discretization of
partial differential equations are commonplace in computational simulations from many scientific fields. Iterative methods such as the preconditioned Generalized Minimal Residual method
(GMRES) are the most suitable for solving such systems. When these methods are used, one
can achieve computational cost reductions by applying bandwidth and profile reduction techniques on the related matrices. The purpose of these techniques is to group the coefficients of the
matrix near to the main diagonal by applying a sequence of permutations of its rows and columns. In this work, the performance of heuristic methods for bandwidth and profile reductions
was evaluated when used alongside the preconditioned GMRES method for solving linear systems. Furthermore, we propose a heuristic method for bandwidth and profile reductions based
on the metaheuristic Iterated Local Search. In the tests carried in 172 instances from the SuiteSparse Matrix Collection, the proposed algorithm showed good results, especially in reducing
the bandwidth of symmetric matrices and reducing the profile of unsymmetric matrices. However, due to its high execution times, it was not considered conducive to reduce the execution
time of the preconditioned GMRES. Thirteen heuristic methods were evaluated in the experiments with the preconditioned GMRES. Six preconditioners based on incomplete factorization
(ILUT, ILUC, ILU(k), VBILUT and VBILUK) and on multigrid methods (ARMS) were used,
in 20 large instances. In line with previous works, heuristic methods with low computational
cost obtained the best results in reducing the computational cost of solving linear systems in the
simulations conducted, even though the bandwidth and profile reductions they provide are not
the best overall. More, it was observed that for certain instances no heuristic was able to help
in reducing the computational cost of solving linear systems with preconditioned GMRES. Sistemas de equações lineares envolvendo matrizes esparsas de grande porte surgem, geralmente, da discretização de equações diferenciais parciais, comuns em simulações computacionais de várias áreas da ciência. Métodos iterativos, como o Generalized Minimal Residual
(GMRES) pré-condicionado, são os mais adequados para resolução desses sistemas. Quando se
utiliza esses métodos, pode-se obter redução de seu custo computacional ao se aplicar técnicas
de redução de largura de banda ou de profile nas matrizes envolvidas. Essas técnicas consistem
em agrupar os coeficientes não nulos da matriz o mais próximo possível da diagonal principal
por meio de permutações de suas linhas e colunas. Neste trabalho, avaliou-se o desempenho de
métodos heurísticos no estado da arte para redução de largura de banda ou de profile no contexto de resolução de sistemas de equações lineares com o método GMRES pré-condicionado.
Ainda, uma heurística baseada na meta-heurística Iterated Local Search para os problemas de
redução de largura de banda e de profile de matrizes foi proposta. Nos testes realizados em
172 instâncias da base SuiteSparse Matrix Collection a heurística proposta apresentou bons resultados, principalmente na redução de profile de matrizes assimétricas e de banda de matrizes
simétricas. Contudo, seu alto tempo de execução não a qualificou como heurística propícia para
reduzir o custo computacional do GMRES pré-condicionado. Treze métodos heurísticos foram
avaliados nos experimentos para redução do custo de execução do GMRES pré-condicionado.
Foram considerados seis pré-condicionadores, baseados em fatoração incompleta (ILUT, ILUC,
ILU(k), VBILUT e VBILUK) e em multigrid (ARMS) em 20 instâncias de grandes dimensões.
As simulações apontaram, em consonância com a literatura, que os melhores resultados na redução do custo computacional de sistemas de equações lineares são obtidos por heurísticas com
baixo custo computacional, mesmo que não apresentem grandes reduções de largura de banda
ou profile. Ainda, constatou-se que, para certas instâncias, nenhuma heurística contribuiu para
a redução do custo de resolução dos sistemas com o GMRES pré-condicionado.