This article introduces HODLR3D, a class of hierarchical matrices arising out of $N$-body problems in three dimensions. HODLR3D relies on the fact that certain off-diagonal matrix sub-blocks arising out of the $N$-body problems in three dimensions are numerically low-rank. For the Laplace kernel in $3$D, which is widely encountered, we prove that all the off-diagonal matrix sub-blocks are rank deficient in finite precision. We also obtain the growth of the rank as a function of the size of these matrix sub-blocks. For other kernels in three dimensions, we numerically illustrate a similar scaling in rank for the different off-diagonal sub-blocks. We leverage this hierarchical low-rank structure to construct HODLR3D representation, with which we accelerate matrix-vector products. The storage and computational complexity of the HODLR3D matrix-vector product scales almost linearly with system size. We demonstrate the computational performance of HODLR3D representation through various numerical experiments. Further, we explore the performance of the HODLR3D representation on distributed memory systems. HODLR3D, described in this article, is based on a weak admissibility condition. Among the hierarchical matrices with different weak admissibility conditions in $3$D, only in HODLR3D did the rank of the admissible off-diagonal blocks not scale with any power of the system size. Thus, the storage and the computational complexity of the HODLR3D matrix-vector product remain tractable for $N$-body problems with large system sizes.


翻译:本文介绍HODLR3D,这是一类源于三维N体问题的层级矩阵。HODLR3D基于如下事实:三维N体问题中产生的某些非对角矩阵子块在数值上具有低秩性。针对广泛存在的三维拉普拉斯核,我们证明了在有限精度下所有非对角矩阵子块均为秩亏缺,并获得了这些子块秩随其尺寸增长的规律。对于其他三维核函数,我们通过数值实验展示了不同非对角子块具有类似的秩增长特性。我们利用这种层级低秩结构构建了HODLR3D表示,并以此加速矩阵-向量乘积运算。HODLR3D矩阵-向量乘积的存储与计算复杂度与系统规模呈近线性关系。通过多项数值实验,我们验证了HODLR3D表示的计算性能。此外,我们还探讨了HODLR3D表示在分布式内存系统上的表现。本文所述HODLR3D基于弱可容许性条件。在三维具有不同弱可容许性条件的层级矩阵中,仅HODLR3D的可容许非对角块秩不随系统规模的任意次幂增长。因此,对于大规模N体问题,HODLR3D矩阵-向量乘积的存储与计算复杂度始终保持可处理性。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
7+阅读 · 6月21日
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
5+阅读 · 6月21日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员