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[GMRES2stage.git] / paper.tex
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-\author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja \IEEEauthorrefmark{2}, and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
-\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche Comte, France\\
+\author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2}, and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
+\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, France\\
 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
 Email: lilia.ziane@inria.fr}
 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
 Email: lilia.ziane@inria.fr}
@@ -564,7 +564,7 @@ gradient and GMRES ones (Generalized Minimal RESidual).
 
 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
 computing  platforms  with many  processors, due  to  their need  of  reduction
 
 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
 computing  platforms  with many  processors, due  to  their need  of  reduction
-operations, and to  collective    communications   to  achive   matrix-vector
+operations, and to  collective    communications   to  achieve   matrix-vector
 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of these
 iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often used
 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of these
 iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often used
@@ -621,19 +621,20 @@ outer solver periodically applies a least-squares minimization  on the residuals
 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is partially 
 solved using only $m$
 iterations of an iterative method, this latter being initialized with the 
 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is partially 
 solved using only $m$
 iterations of an iterative method, this latter being initialized with the 
-best known approximation previously obtained. 
-GMRES method~\cite{Saad86}, or any of its variants, can be used for instance as an
-inner solver. The current approximation of the Krylov method is then stored inside a matrix
-$S$ composed by the successive solutions that are computed during inner iterations.
+last obtained approximation. 
+GMRES method~\cite{Saad86}, or any of its variants, can potentially be used as
+inner solver. The current approximation of the Krylov method is then stored inside a $n \times s$ matrix
+$S$, which is composed by the $s$ last solutions that have been computed during 
+the inner iterations phase.
 
 
-At each $s$ iterations, the minimization step is applied in order to
+At each $s$ iterations, another kind of minimization step is applied in order to
 compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals of $Ax=b$ are computed by
 the inner iterations with $(b-AS)$. The minimization of the residuals is obtained by  
 \begin{equation}
    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
 \label{eq:01}
 \end{equation}
 compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals of $Ax=b$ are computed by
 the inner iterations with $(b-AS)$. The minimization of the residuals is obtained by  
 \begin{equation}
    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
 \label{eq:01}
 \end{equation}
-with $R=AS$. Then the new solution $x$ is computed with $x=S\alpha$.
+with $R=AS$. The new solution $x$ is then computed with $x=S\alpha$.
 
 
 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix belonging in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
 
 
 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix belonging in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
@@ -663,8 +664,8 @@ appropriate than a single direct method in a parallel context.
 \label{algo:01}
 \end{algorithm}
 
 \label{algo:01}
 \end{algorithm}
 
-Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  our  method.  The  outer
-iteration is  inside the for  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
+Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  the proposed  method.  The  outer
+iteration is  inside the \emph{for}  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
 called for a  maximum of $max\_iter_{kryl}$ iterations.  In practice, we  suggest to set this parameter
 equals to  the restart  number of the  GMRES-like method. Moreover,  a tolerance
 threshold must be specified for the  solver. In practice, this threshold must be
 called for a  maximum of $max\_iter_{kryl}$ iterations.  In practice, we  suggest to set this parameter
 equals to  the restart  number of the  GMRES-like method. Moreover,  a tolerance
 threshold must be specified for the  solver. In practice, this threshold must be
@@ -737,36 +738,57 @@ these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
 \label{sec:04}
 Let us recall the following result, see~\cite{Saad86}.
 \begin{proposition}
 \label{sec:04}
 Let us recall the following result, see~\cite{Saad86}.
 \begin{proposition}
+\label{prop:saad}
 Suppose that $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$. Then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:
 \begin{equation}
 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,
 \end{equation}
 Suppose that $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$. Then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:
 \begin{equation}
 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,
 \end{equation}
-where $\alpha = \lambda_min(M)^2$ and $\beta = \lambda_max(A^T A)$, which proves 
+where $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$, which proves 
 the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under that assumption regarding $A$.
 \end{proposition}
 
 
 We can now claim that,
 \begin{proposition}
 the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under that assumption regarding $A$.
 \end{proposition}
 
 
 We can now claim that,
 \begin{proposition}
-If $A$ is a positive real matrix and GMRES($m$) is used as solver, then the TSIRM algorithm is convergent.
+If $A$ is a positive real matrix and GMRES($m$) is used as solver, then the TSIRM algorithm is convergent. Furthermore, 
+let $r_k$ be the
+$k$-th residue of TSIRM, then
+we still have:
+\begin{equation}
+||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0|| ,
+\end{equation}
+where $\alpha$ and $\beta$ are defined as in Proposition~\ref{prop:saad}.
 \end{proposition}
 
 \begin{proof}
 \end{proposition}
 
 \begin{proof}
-Let $r_k = b-Ax_k$, where $x_k$ is the approximation of the solution after the
-$k$-th iterate of TSIRM.
-We will prove that $r_k \rightarrow 0$ when $k \rightarrow +\infty$.
+We will prove by a mathematical induction that, for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, 
+$||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||.$
 
 
-Each step of the TSIRM algorithm \\
+The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ which follows the inductive hypothesis due to Proposition~\ref{prop:saad}.
+
+Suppose now that the claim holds for all $m=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall m \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$.
+We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:
+\begin{itemize}
+\item If $k \mod m \neq 0$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case, we obtain $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ by the inductive hypothesis.
+\item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$, and a least squares resolution.
+Let $\operatorname{span}(S) = \left \{ {\sum_{i=1}^k \lambda_i v_i \Big| k \in \mathbb{N}, v_i \in S, \lambda _i \in \mathbb{R}} \right \}$ be the linear span of a set of real vectors $S$. So,\\
 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$
 
 $\begin{array}{ll}
 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$
 
 $\begin{array}{ll}
-& = \min_{x \in Vect\left(S_{k-s}, S_{k-s+1}, \hdots, S_{k-1} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
-& = \min_{x \in Vect\left(x_{k-s}, x_{k-s}+1, \hdots, x_{k-1} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
-& \leqslant \min_{x \in Vect\left( x_{k-1} \right)} ||b-Ax ||_2\\
-& \leqslant ||b-Ax_{k-1}||
+& = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
+& = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
+& \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\
+& \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\
+& \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\
+& = ||r_k||_2\\
+& \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||,
 \end{array}$
 \end{array}$
+\end{itemize}
+which concludes the induction and the proof.
 \end{proof}
 
 \end{proof}
 
+We can remark that, at each iterate, the residue of the TSIRM algorithm is lower 
+than the one of the GMRES method.
 
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@@ -1008,13 +1030,22 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
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+A novel two-stage iterative  algorithm has been proposed in this article,
+in order to accelerate the convergence Krylov iterative  methods.
+Our TSIRM proposal acts as a merger between Krylov based solvers and
+a least-squares minimization step.
+The convergence of the method has been proven in some situations, while 
+experiments up to 16,394 cores have been led to verify that TSIRM runs
+5 or  7 times  faster than GMRES.
+
 
 
-future plan : \\
-- study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
-- test the influence of all parameters\\
-- adaptative number of outer iterations to minimize\\
-- other methods to minimize the residuals?\\
-- implement our solver inside PETSc
+For future work, the authors' intention is to investigate 
+other kinds of matrices, problems, and inner solvers. The 
+influence of all parameters must be tested too, while 
+other methods to minimize the residuals must be regarded.
+The number of outer iterations to minimize should become 
+adaptative to improve the overall performances of the proposal.
+Finally, this solver will be implemented inside PETSc.
 
 
 % conference papers do not normally have an appendix
 
 
 % conference papers do not normally have an appendix
@@ -1069,4 +1100,3 @@ Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
 
 % that's all folks
 \end{document}
 
 % that's all folks
 \end{document}
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