Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems

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出版者:Storming Media
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页数:0
译者:
出版时间:1997
价格:0
装帧:Spiral-bound
isbn号码:9781423571094
丛书系列:
图书标签:
  • 电磁散射
  • QR分解
  • 并行计算
  • 数值方法
  • 计算电磁学
  • 矩阵分解
  • 快速算法
  • 数值模拟
  • 电磁场
  • 计算方法
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具体描述

《并行QR分解在电磁散射问题中的应用》 概述 电磁散射问题在科学和工程领域扮演着至关重要的角色,广泛应用于雷达散射截面积(RCS)计算、天线设计、目标识别、通信系统建模以及材料科学等诸多领域。这些问题的核心在于求解描述电磁波与物质相互作用的麦克斯韦方程组。随着计算能力的飞速发展,我们能够处理日益复杂的几何形状和材料属性,从而获得更精确的仿真结果。然而,这类问题的规模往往庞大,需要解决包含大量变量的线性方程组。传统的串行求解方法在处理大规模问题时,其计算效率会成为一个显著的瓶颈。 核心内容 本书深入探讨了如何利用并行计算技术来加速QR分解在求解电磁散射问题中的应用。QR分解是一种经典的线性方程组求解方法,其优点在于数值稳定性好,能够有效处理病态方程组。然而,其计算复杂度较高,特别是对于大规模稀疏矩阵而言,串行QR分解的计算时间会成为制约仿真效率的关键因素。 本书的核心贡献在于将QR分解的强大功能与并行计算的巨大潜力相结合,旨在开发高效、可扩展的算法,以应对当前及未来电磁散射问题的挑战。我们不局限于单一的并行计算模型,而是探索了多种并行策略,包括: 数据并行: 将待求解矩阵及其相关的计算任务分解到多个处理器上,每个处理器独立执行部分计算,并通过通信机制同步结果。 任务并行: 将QR分解过程中的不同计算步骤(如Householder变换、Givens旋转等)分配给不同的处理器,实现计算流程的并行化。 混合并行: 结合数据并行和任务并行,根据问题的特点和硬件架构,优化计算资源的利用率。 技术细节与算法 本书详细阐述了多种适用于并行环境的QR分解算法,并重点关注了如何针对电磁散射问题中常见的大规模稀疏矩阵进行优化。这些算法包括: 并行Householder变换QR分解: Householder变换是一种稳定的QR分解方法,其并行化实现需要高效的数据块划分和通信策略,以减少处理器间的通信开销。本书将深入探讨各种块Householder变换的并行实现细节,包括如何优化矩阵乘法和向量操作。 并行Givens旋转QR分解: Givens旋转在处理稀疏矩阵时具有天然的优势,可以避免填充非零元素。本书将介绍如何设计高效的并行Givens旋转算法,特别是针对稀疏矩阵的动态列排序和块状稀疏性利用。 基于稀疏矩阵特性的并行QR分解: 针对电磁散射问题中高度稀疏的矩阵,本书将介绍利用稀疏矩阵存储格式(如CSR, CSC)和稀疏性分析来优化并行QR分解的算法。这包括稀疏矩阵的并行填充-减少排序(fill-in reducing ordering)和并行图着色技术,以最小化并行计算中的通信量和负载不均。 迭代式QR分解方法: 在某些情况下,迭代式的QR分解方法(如QR-like方法)也可能提供更佳的并行性能。本书将探讨这些方法的并行化策略,以及它们在电磁散射问题中的适用性。 电磁散射问题中的应用 本书不仅关注算法本身,更强调其在实际电磁散射问题中的应用。我们将深入分析几种典型的电磁散射问题,并展示如何将开发的并行QR分解算法集成到这些问题的数值求解框架中: 时域有限差分法(FDTD)的并行化: FDTD方法常用于模拟瞬态电磁散射,其求解过程中会产生大型线性系统。本书将展示如何利用并行QR分解来加速FDTD中关键时间步的求解。 边界元法(BEM)和边积分方程(IE)的并行求解: BEM和IE方法在处理开放边界和复杂目标散射时具有优势,但其离散化过程会产生密集的(尽管维度相对较低)矩阵。本书将探讨如何在这些方法中应用并行QR分解,特别是针对低秩更新和块状结构优化。 基于方法的时域(MFTD)和快速多极子方法(FMM)的并行化: 这些先进的数值技术能够显著提高计算效率,但其求解过程中仍然会涉及大量的线性代数运算。本书将展示并行QR分解如何与这些方法协同工作,进一步提升性能。 理论分析与性能评估 本书将提供严谨的理论分析,包括: 并行算法的复杂度分析: 对不同并行QR分解算法在通信量、计算量和并行度方面的理论复杂度进行量化分析。 可扩展性研究: 评估算法在不同规模问题和不同数量处理器上的性能扩展性,以指导实际应用中的资源分配。 数值稳定性分析: 验证并行QR分解算法在数值稳定性方面与串行算法的等价性,确保结果的准确性。 此外,本书将通过大量的数值实验,在多种高性能计算平台上对开发的并行算法进行详尽的性能评估。我们将使用实际的电磁散射问题实例,与现有的串行和并行求解器进行对比,展示本书所提出方法的优越性。 结论与展望 《并行QR分解在电磁散射问题中的应用》为解决大规模电磁散射问题提供了一套高效、可扩展的计算框架。通过深入融合先进的并行计算技术和稳健的QR分解算法,本书旨在赋能研究人员和工程师,加速电磁散射问题的仿真与分析,从而推动相关科学和工程领域的进步。本书的成果对于需要精确模拟复杂电磁现象的领域具有重要的理论和实践意义。

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这本书的书名《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》让我联想到,作者一定对线性代数、数值分析以及电磁场理论有着深刻的理解。QR分解本身就需要对矩阵的结构和性质有透彻的认识,而将其并行化则需要对计算机体系结构和并行计算模型有丰富的经验。 我非常好奇书中会如何平衡理论的严谨性和实践的可操作性。一方面,我期待能够看到对并行QR分解算法的数学原理进行清晰、深入的阐述,包括其收敛性、稳定性和复杂度分析。另一方面,我也希望书中能够提供实际的编程实现细节,例如,可能使用的并行编程模型(如MPI、OpenMP、CUDA),以及在具体问题中如何调用和优化这些并行算法。书中是否会包含代码示例,或者对开源的并行线性代数库(如ScaLAPACK, cuSOLVER)的使用进行指导?

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这本书的书名《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》非常直接地指出了其研究内容,这让我立刻意识到它可能是一本专注于解决实际计算瓶颈的书籍。电磁散射问题的复杂性,尤其是在考虑多物理场耦合或动态场景时,常常导致计算量呈指数级增长。 我非常希望书中能够提供关于并行QR分解算法在实际电磁散射问题中的性能评估和案例分析。例如,书中是否会展示通过并行化,计算时间从数天缩短到数小时,或者在更复杂的模型上实现首次成功的仿真?我期待看到对不同规模问题、不同几何形状散射体以及不同物理参数设置下的性能对比数据。这些数据将直接证明并行QR分解在解决实际电磁散射问题中的有效性和必要性。

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这本书的书名《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》直接点明了其核心技术和应用领域,这对于我这样对高性能计算在电磁学中应用的读者来说,具有极大的吸引力。我深知,在现代科学研究和工程设计中,电磁散射问题的复杂性和规模都在不断增加,传统的计算方法往往难以满足实时性或高精度的要求。 我非常期待书中能够深入探讨QR分解在处理大规模稀疏或密集线性系统时的数值稳定性和精度问题。在电磁散射计算中,尤其是在使用某些数值离散化方法(如矩量法)时,会产生病态的线性系统。QR分解以其良好的数值稳定性而著称,我希望书中能详细阐述如何在并行环境下保持这种稳定性,以及如何通过算法的优化来进一步提高精度。例如,是否会介绍多精度计算在并行QR分解中的应用,以应对一些极端病态的系统?

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这本书的另一个潜在价值在于它将抽象的数值方法与具体的“Electromagnetic Scattering Problems”紧密结合。这意味着书中不仅仅是理论的推导,更会包含实际的应用案例分析。我特别期待书中能够阐述QR分解在解决不同类型的电磁散射问题中的具体优势和应用场景。例如,对于高频散射问题,其模型可能涉及数百万甚至上亿个自由度,这时QR分解的稳定性和精度将尤为重要。书中是否会探讨如何针对这类问题优化QR分解的并行实现,以在保证精度的前提下,大幅缩减计算时间? 我猜想书中会详细介绍几种典型的电磁散射问题,比如均匀电大尺寸散射体的散射,复杂形状物体(如飞机、车辆)的雷达散射截面(RCS)计算,以及电磁波在复杂介质中的传播等。在这些问题中,如何建立合适的数值模型(如矩量法MoM、有限元法FEM、时域有限差分法FDTD等),以及如何将模型产生的稀疏或密集线性系统通过并行QR分解进行求解,都是我非常感兴趣的内容。例如,对于MoM,其系统矩阵通常是密集且病态的,QR分解的数值稳定性优势在这种情况下得以充分发挥。

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《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》这个书名让我对书中可能包含的理论深度和应用广度产生了浓厚的兴趣。电磁散射问题本身就是一个高度跨学科的领域,涉及物理学、数学和计算机科学。而QR分解作为一种基础但强大的数值线性代数工具,其在解决复杂计算问题中的应用价值不言而喻。 我非常好奇书中会如何处理“Parallel”这个维度。这不仅仅是将QR分解算法简单地移植到并行环境中,而是涉及到对算法本身的重新设计和优化,以充分利用并行计算的优势。书中是否会讨论数据划分策略、通信协议、负载均衡等并行计算的关键技术?我尤其希望能看到书中对不同并行计算模型(如共享内存、分布式内存、混合内存)下的QR分解算法进行比较和分析,并给出在不同架构上的性能优化建议。

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这本书的书名《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》瞬间吸引了我,因为我一直在寻找能够显著提升电磁散射问题计算效率的方法。我深知,在处理具有大量未知数的复杂电磁散射问题时,传统的串行QR分解算法在时间和内存方面都显得捉襟见肘。 我非常期待书中能深入探讨如何将QR分解算法有效地映射到现代并行计算平台上,例如多核CPU、GPU集群,甚至是更高级的分布式计算环境。书中是否会详细介绍数据并行、任务并行等不同的并行策略,以及如何根据具体的硬件架构来选择和优化算法?我尤其想了解在GPU上实现并行QR分解的技术细节,比如如何高效地利用CUDA或OpenCL来加速矩阵运算,如何管理线程块和线程之间的同步。

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这本书的书名《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》一经映入眼帘,就立刻激发了我对其中蕴含的深厚技术魅力的好奇心。作为一名长期在电磁散射领域摸索的研究者,我深知高效数值方法的关键性。传统的QR分解算法,虽然在理论上成熟且应用广泛,但在处理大规模、复杂几何体的电磁散射问题时,其计算成本往往成为瓶颈。想象一下,当我们需要模拟天线阵列的辐射特性,或是复杂散射体(如飞机、船舶)对雷达波的反射时,离散化后的方程组规模将是天文数字。这时,如何有效地求解这些大型线性系统就成了决定研究进度的重要因素。而“Parallel QR Decomposition”这个术语,则直接点出了本书的核心——将QR分解的思想与并行计算强大的算力相结合,以期突破现有方法的性能极限。 我对书中可能深入探讨的并行算法设计策略充满了期待。QR分解通常涉及大量的矩阵运算,如Householder变换或Givens旋转,这些运算在并行环境下如何有效地分解和映射到多核处理器、GPU甚至分布式集群上,是一个极具挑战性的问题。我希望书中能够详细介绍各种并行QR分解算法,例如基于块的QR分解,如何优化数据局部性,减少通信开销,以及如何根据不同的硬件架构(如CPU-GPU异构环境)进行高效的并行实现。例如,对于GPU,如何利用其大规模并行线程处理能力来加速矩阵向量乘法或矩阵乘法,以及如何管理线程同步和数据传输,都是我迫切想了解的内容。

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对于“Electromagnetic Scattering Problems”,我理解其涵盖的范围非常广泛,从微波工程到光学,从材料科学到通信技术。这本书所关注的“Parallel QR Decomposition”是否能够适应不同频段和不同尺度下的电磁散射问题?例如,在微波频段,可能需要模拟大型金属结构,而在光学频段,可能需要模拟纳米尺度的光学散射。 我希望书中能够提供一些针对不同电磁散射应用场景的案例研究。例如,在雷达散射截面(RCS)计算中,如何利用并行QR分解来加速对复杂目标的仿真。在光学领域,如何利用它来解决纳米粒子阵列的光学响应计算。书中是否会详细分析在不同应用中,并行QR分解的性能提升究竟有多大?它相比于其他并行求解技术(如并行迭代法)在哪些方面更具优势?

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从书名中“Decomposition”一词,我联想到QR分解作为一种基本的矩阵分解技术,其应用远不止求解线性方程组。它在最小二乘问题、特征值问题等方面也扮演着重要角色。因此,我猜测这本书可能也会触及QR分解在电磁散射研究中其他方面的应用。比如,在进行参数估计或模型降阶时,可能需要用到QR分解来处理相关的优化问题。 我特别希望书中能够深入探讨QR分解在解决电磁散射反问题中的潜力。反问题,例如根据测量到的散射场信息推断散射体的形状、材料属性等,往往比正问题更加困难,且对数值方法的稳定性和效率要求极高。QR分解能否在这一过程中提供更鲁棒的解决方案?书中是否会介绍如何利用QR分解的某种变体或扩展,来提高反问题的求解精度和收敛速度?

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《Parallel QR Decomposition for Electromagnetic Scattering Problems》——光是这个书名就预示着这是一本充满挑战与机遇的书籍。我深知,在许多电磁散射问题的数值求解过程中,直接求解大型线性系统是计算成本最高的部分。QR分解以其理论上的完备性和数值上的稳定性,成为一种重要的求解工具。 我尤其关注书中可能探讨的“Electromagnetic Scattering Problems”的具体类型。是侧重于高频散射,还是低频散射?是针对特定类型的散射体,如均匀介质球、偶极子,还是更复杂的、实际应用的场景,如飞机、车辆、天线阵列等?我希望书中能给出一些具有代表性的电磁散射问题的实例,并详细说明如何将这些问题建模,然后利用并行QR分解来高效求解。

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