Computation of the large sparse matrix exponential has been an important topic in many fields, such as network and finite-element analysis. The existing scaling and squaring algorithm (SSA) is not suitable for the computation of the large sparse matrix exponential as it requires greater memories and computational cost than is actually needed. By introducing two novel concepts, i.e., real bandwidth and bandwidth, to measure the sparsity of the matrix, the sparsity of the matrix exponential is analyzed. It is found that for every matrix computed in the squaring phase of the SSA, a corresponding sparse approximate matrix exists. To obtain the sparse approximate matrix, a new filtering technique in terms of forward error analysis is proposed. Combining the filtering technique with the idea of keeping track of the incremental part, a competitive algorithm is developed for the large sparse matrix exponential. The proposed method can primarily alleviate the over-scaling problem due to the filtering technique. Three sets of numerical experiments, including one large matrix with a dimension larger than 2e6 , are conducted. The numerical experiments show that, compared with the expm function in MATLAB, the proposed algorithm can provide higher accuracy at lower computational cost and with less memory.


翻译:大量稀散矩阵指数的计算是许多领域的一个重要主题,例如网络和有限元素分析。现有的缩放和缩放算法(SSA)不适合计算大量稀散矩阵指数,因为它需要比实际需要更多的记忆和计算成本。通过引入两个新颖概念,即真正的带宽和带宽,以测量矩阵的宽度,对矩阵指数的宽度进行了分析。发现对于在SSA交接阶段计算出来的每一个矩阵,都存在一个相应的稀少的粗略矩阵。为了获得稀少的近似矩阵,提议了一种用于前期错误分析的新的过滤技术。将过滤技术与跟踪递增部分的想法结合起来,为大型稀散矩阵指数制定了一种竞争性算法。拟议方法可以主要缓解由于过滤技术而造成的过大缩问题。进行了三组数字实验,包括一个大于2e6的大型矩阵。数字实验显示,与MATLAB的脱色功能相比,提议的缩算算法可以提供较低的精确度。

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