3 <strong>Dimension</strong>-Exchange-Verfahren‖x(α)‖ 2‖x min ‖ 2T 8, DE-OPT21.81.61.41.210 0.2 0.4 0.6 0.8 1α‖x(α)‖ 2‖x min ‖ 2T 8, SDE-OPT21.81.61.41.210 0.2 0.4 0.6 0.8 1αAbbildung 3.7: l 2 -Norm des Flusses in Abhängigkeit von α am Beispiel eines 8 × 8-Torus<strong>mit</strong> zufälligem w 0 (minimaler Fluss = 1)3.7.1 Vorwärts und rückwärtsEs ist zu beobachten, dass die einzelnen Komponenten des Flusses davon abhängig sind,in welcher Reihenfolge die einzelnen Teilschritte und da<strong>mit</strong> die Farben abgearbeitetwerden.Als einfaches Beispiel hierzu wird der Hypercube H 2 betrachtet, bei dem anfangs einKnoten die Last 4 und die drei übrigen die Last 0 haben. Abhängig davon, ob man <strong>mit</strong>den waagerechten oder den senkrechten Kanten beginnt, erhält man zwei verschiedeneFlüsse x 1 und x 2 , beide <strong>mit</strong> Norm √ 6. Der Fluss x = 1 (2 x 1 + x 2) , der sich als Mittelwertder anderen beiden ergibt, hat eine geringere und in diesem Beispiel sogar minimaleNorm, nämlich √ 5. Vergleiche hierzu Abbildung 3.8.Dieses bislang für einen Spezialfall beschriebene Vorgehen lässt sich problemlos <strong>auf</strong> beliebigeGraphen übertragen. Das DE-OPS- bzw. DE-OPT-Verfahren wird zweimal durchgeführt,wobei die Farben einmal immer vorwärts und einmal rückwärts durchl<strong>auf</strong>enwerden, anschließend wird der Mittelwert der beiden so bestimmten Flüsse berechnet.Die Korrektheit dieses neuen, <strong>mit</strong> DE-OPSfb bzw. DE-OPTfb (forward-backward) bezeichnetenVerfahrens ist durch Satz 3.24 sichergestellt. Die Matrizen M c · · · M 1 = M DEund M 1 · · · M c = M DET haben dieselben Eigenwerte, denn die Diffusionsmatrizen M isind symmetrisch. Der Kommunikations<strong>auf</strong>wand ist sicherlich nicht höher als für SDE-OPX, wo ja pro Schritt auch alle Farben zweimal (vorwärts und rückwärts) durchl<strong>auf</strong>enwerden. Weitere Details zur Implementierung werden in Abschnitt 5.3 gegeben.3.7.2 Zyklisches Durchl<strong>auf</strong>en der FarbenDie zweite Variante nutzt aus, dass alle Matrizen der Form M j−1 · · · M 1 · M c · · · M j fürj ∈ {2, . . . , c} dieselben Eigenwerte haben wie M DE = M c · · · M 1 . Das DE-OPX-Verfahrenwird nun für jede dieser insgesamt c Matrizen einmal durchgeführt, anschließend wirdder Mittelwert aller Flüsse bestimmt. Das gesamte, <strong>mit</strong> DE-OPXcc (color cycling) bezeichneteVerfahren hat zwar den c-fachen Rechen<strong>auf</strong>wand verglichen <strong>mit</strong> DE-OPX, derKommunikations<strong>auf</strong>wand erhöht sich dagegen nur um c − 1 Schritte. Erreicht wird diesdadurch, dass die Einzelrechnungen jeweils um einen Teilschritt versetzt gestartet werden,vergleiche Abbildung 3.9. Da die Anzahl der Rechen- und Kommunikationsopera-66
3.8 Abschätzungen für Flüsse0 040Ausgangssituation(Eigenwerte des H 2 : 0, 1)0 02 01. Teilschritt(2)2(2)2 2 01 11(1)1(1) (1)2. Teilschritt(2)1(2)11(1)11(0.5)1(1.5) (0.5)1(1.5)12 mal DE-OPS:links: zuerst waagerechte,dann senkrechte Kantenrechts: umgekehrtFür beide Flüsse gilt:‖x‖ 2= √ 6 ≈ 2, 45Mittelwert beider Flüsse:‖x‖ 2= √ 5 ≈ 2, 24Abbildung 3.8: DE-OPSfb für den Hypercube H 2tionen die gleiche Größenordnung haben, spielt der erhöhte Rechen<strong>auf</strong>wand keine Rolle.Dass die Menge der <strong>mit</strong> jeder Kommunikation auszutauschenden Daten sich ver-c-fachtist ebenfalls eher bedeutungslos, da die Datenmengen trotzdem noch sehr klein sind unddaher die meiste Zeit für den Aufbau der Kommunikation verwandt wird. Details zurImplementierung dieser Variante werden später in Algorithmus 5.1 erläutert.Abbildung 3.10 zeigt, wie sich beide Varianten <strong>auf</strong> das Beispiel des T 8 aus Abb. 3.7auswirken.3.8 Abschätzungen für FlüsseIn diesem Abschnitt werden Sätze hergeleitet, die es erlauben, zu gegebenen Verfahrenund Graphen auszurechnen, um welchen Faktor die l 2 -Normen der Flüsse die minimaleNorm höchstens übersteigen. Diese Faktoren sind als Normen gewisser Matrizen gegebenund lassen sich in einigen Fällen explizit zahlenmäßig angeben, in den anderen Fällenlassen sie sich experimentell bestimmen.Für die folgende Definition der Pseudoinversen sowie die beiden sich daran anschließendenSätze vergleiche zum Beispiel [GL96, Dav79].67