Calcul efficace avec des matrices structurées et des expressions arithmétiques

Efficient computation with structured matrices and arithmetic expressions

• Auteur / Autrice : Christophe Mouilleron
• Direction : Gilles Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 04/11/2011
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Mourrain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Villard, Bernard Mourrain, Markus Püschel, Dario Andrea Bini, Claude-Pierre Jeannerod
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Markus Püschel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices -- Inversion

Mots clés libres

Algèbre linéaire structurée

Produit de matrices

Inversion de matrices

Expressions arithmétiques

Génération de code

Combinatoire et optimisation des schémas d'évaluation

Structured linear algebra

Matrix product

Matrix inversion

Arithmetic expressions

Code generation

Combinatorics and optimization of evaluation schemes

Résumé

Le développement de code efficace en pratique pour effectuer un calcul donné est un problème difficile. Cette thèse présente deux situations où nous avons été confronté à ce problème. La première partie de la thèse propose des améliorations au niveau algorithmique dans le cadre de l'algèbre linéaire structurée. Nous montrons d'abord comment étendre un algorithme de Cardinal pour l'inversion de matrices de type Cauchy afin de traiter les autres structures classiques. Cette approche, qui repose essentiellement sur des produits de type « matrice structurée × matrice », conduit à une accélération d'un facteur allant jusqu'à 7 en théorie et constaté en pratique. Ensuite, nous généralisons des travaux sur les matrices de type Toeplitz afin de montrer comment, pour les structures classiques, calculer le produit d'une matrice structurée n×n et de rang de déplacement α par une matrice n×α en Õ(α^(ω-1)n). Cela conduit à des algorithmes en Õ(α^(ω-1)n) pour l'inversion de matrices structurées, sans avoir à passer par des matrices de type Toeplitz. La deuxième partie de la thèse traite de l'implantation d'expressions arithmétiques. Ce sujet soulève de nombreuses questions comme le nombre d'opérations minimum, la vitesse, ou encore la précision des calculs en arithmétique approchée. En exploitant la nature inductive des expressions arithmétiques, il est possible de développer des algorithmes aidant à répondre à ces questions. Nous présentons ainsi plusieurs algorithmes de génération de schémas d'évaluation, de comptage et d'optimisation selon un ou plusieurs critères. Ces algorithmes ont été implanté dans une librairie qui a en autre été utilisée pour accélérer un logiciel de génération de code pour une librairie mathématique, et pour étudier des questions d'optimalité pour le problème de l'évaluation d'un polynôme à coefficients scalaires de petit degré en une matrice.

Designing efficient code in practice for a given computation is a hard task. In this thesis, we tackle this issue in two different situations. The first part of the thesis introduces some algorithmic improvements in structured linear algebra. We first show how to extend an algorithm by Cardinal for inverting Cauchy-like matrices to the other common structures. This approach, which mainly relies on products of the type ''structured matrix × matrix'', leads to a theoretical speed-up of a factor up to 7 that we also observe in practice. Then, we extend some works on Toeplitz-like matrices and prove that, for any of the common structures, the product of an n×n structured matrix of displacement rank α by an n×α matrix can be computed in Õ(α^(ω-1)n). This leads to direct inversion algorithms in Õ(α^(ω-1)n) , that do not rely on a reduction to the Toeplitz-like case. The second part of the thesis deals with the implementation of arithmetic expressions. This topic raises several issues like finding the minimum number of operations, and maximizing the speed or the accuracy when using some finite-precision arithmetic. Making use of the inductive nature of arithmetic expressions enables the design of algorithms that help to answer such questions. We thus present a set of algorithms for generating evaluation schemes, counting them, and optimizing them according to one or several criteria. These algorithms are part of a library that we have developed and used, among other things, in order to decrease the running time of a code generator for a mathematical library, and to study optimality issues about the evaluation of a small degree polynomial with scalar coefficients at a matrix point.