工程計算中大型稀疏矩陣存儲方法研究

作者:紀(jì)國良; 丁勇; 周曼; 馮仰德 中國長江三峽集團有限公司; 宜昌443000; 中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心、高性能計算技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展部; 北京100190

摘要:在工程實際中,許多問題都可以歸結(jié)為數(shù)值法求解偏微分方程(組)的問題.偏微分方程數(shù)值解法主要包括有限差分法、有限元法和有限體積法,其中大多數(shù)方法都是通過離散的方式將方程轉(zhuǎn)化為線性方程組,通過求解線性系統(tǒng)得到原方程的數(shù)值解.在這個過程中,線性方程組的系數(shù)矩陣通常很大并且很稀疏,會占用大量存儲空間并使方程組難以求解.針對這個問題,本文研究大型稀疏矩陣的壓縮存儲方法,只存儲非零元素,降低存儲空間消耗,避免零元素參與計算,提升計算效率.具體來說,在稀疏矩陣生成過程中,使用十字鏈表法存儲,可以在常數(shù)時間內(nèi)完成非零元素的插入操作;在方程組求解過程中,使用按行(列)壓縮存儲方法,既節(jié)約存儲空間,又可以提高求解器的求解效率.在實驗部分,本文分別使用有限差分法求解Laplace方程和有限元法計算圓環(huán)截面應(yīng)力分布問題,對其中大型稀疏線性方程組的系數(shù)矩陣,采用十字鏈表法和按行(列)壓縮存儲法存儲,使用直接法和迭代法求解線性方程組.實驗結(jié)果顯示,對于結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的稀疏矩陣,壓縮存儲方法不僅能夠大幅度減少內(nèi)存空間的占用,而且能夠顯著提升求解器的效率.

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數(shù)值計算與計算機應(yīng)用

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