Статья посвящена решению обратных задач синтеза нанооптических защитных элементов. Синтез нанооптического элемента включает в себя как решение обратной задачи расчета его фазовой функции, так и прецизионное формирование микрорельефа. При освещении микрорельефа в любой точке нанооптического элемента когерентным излучением в фокальной плоскости, параллельной плоскости оптического элемента, формируется изображение, используемое для автоматизированного контроля. Область оптического элемента разбивается на элементарные области. Изображение в элементарных областях формируется с помощью бинарных киноформов, фазовая функция которых рассчитывается с помощью решения нелинейного интегрального уравнения Фредгольма первого рода. Глубина микрорельефа в каждой элементарной области постоянна и определяет цвет элементарной области при освещении оптического элемента белым светом. Разработанные элементы могут быть использованы для защиты документов, акцизных марок, брендов и др. This paper is concerned with solving inverse problems of the synthesis of nanooptical security elements. The synthesis of a nanooptical element involves calculating its phase function via solving an inverse problem and fabricating the microrelief with high precision. The microrelief of the nanooptical element illuminated at any point with coherent radiation produces an image in the focal plane parallel to the plane of the optical element. This image is used for the automated authenticity verification. The area of the optical element is divided into elementary regions. In each elementary region, the image is formed using binary kinoforms whose phase function is calculated via solving a nonlinear Fredholm integral equation of the first kind. The depth of the microrelief is constant in each elementary region and determines the color of that region when the optical element is illuminated with white light. The developed elements can be used to protect documents, excise stamps, and brands.

Для предобусловливания несимметричной положительно определенной разреженной матрицы рассматривается ее приближенная обратная, представленная в виде произведения нижнетреугольной и верхнетреугольной матриц. Предлагается новый способ предобусловливания положительно определенной разреженной матрицы--- метод блочного Якоби неполного обратного LU-разложения. Описан алгоритм параллельной реализации метода BiCGStab с предложенным предобусловливанием с применением MPIOpenMP-технологии. Проводится сравнение времени решения тестовых задач из коллекции разреженных матриц SuiteSparse (ранее известной как коллекция университета Флориды) методом BiCGStab с предложенным предобусловливанием и с предобусловливанием Якоби, а также с предобусловливанием блочного Якоби в сочетании с неполным треугольным разложением без заполнения. При этом используются разработанные параллельные реализации на основе MPI- или MPIOpenMP-подходов. A preconditioner for a large sparse nonsymmetric positive definite matrix is considered on the basis of its approximate inverse in the form of product of a lower triangular sparse matrix by an upper triangular matrix. For the class of matrices being considered, a new preconditioning based on the approximate block Jacobi with incomplete inverse LU-factorization preconditioning is proposed. For a parallel implementation of the corresponding preconditioned BiCGStab algorithm, the MPIOpenMP techniques are used. The timing results obtained for the MPIOpenMP and MPI implementations of the proposed preconditioning and for the Jacobi preconditioning used with the BiCGStab are compared using several test problems from the SuiteSparse collection (formerly known as the University of Florida sparse matrix collection).

AlgoWiki - это открытая энциклопедия свойств алгоритмов и их реализаций на различных программно-аппаратных платформах. Ее можно использовать для достижения различных целей, например для поиска оптимального алгоритма решения некоторой задачи, анализа информационной структуры приложения или для сравнения эффективности различных реализаций какого-либо алгоритма. В настоящей статье описаны появляющиеся новые возможности энциклопедии AlgoWiki, направленные на создание связанного представления различных алгоритмических подходов решения одной и той же задачи. На это нацелено описание предметной области в виде цепочек задача-метод-алгоритм-реализация, дополненное возможностями формирования рейтингов на базе любых алгоритмов энциклопедии, а также механизмом архитектурных срезов. AlgoWiki is an open encyclopedia of algorithms' properties and features of their implementations on different hardware and software platforms. It can be used to achieve various aims, for example, to search for the optimal algorithm to solve a certain problem, to analyze the information structure of an application or to compare the efficiency of different implementations of an algorithm. This paper describes the emerging new features of the AlgoWiki encyclopedia aimed at creating a joint presentation of various algorithmic approaches to solve the same problem. This is the aim of the subject area description in the form of chains problem-method-algorithm-implementation supplemented by the possibility of generating ratings based on any algorithms of the encyclopedia as well as a mechanism of architectural profiles.

Предложена и реализована p-версия метода коллокации численного решения интегральных уравнений Фредгольма второго рода. В данной реализации осуществлены возможности варьирования степени полинома в полиномиальном представлении приближенного решения уравнений и варьирования количества узлов используемой квадратурной формулы Гаусса для влияния на точность решения. Исследовано влияние числа точек коллокации, использованных для аппроксимации решения, и количества узлов квадратурной формулы Гаусса на число обусловленности системы линейных алгебраических уравнений, к решению которой сводится построение приближенного решения, и на его точность путем численного решения примеров, в том числе приведенных в известных изданиях. Предложенный алгоритм реализован на языке программного пакета Mathematica. Во всех рассмотренных примерах предложенная версия метода коллокации позволила достичь точности решения уравнений, близкой к уровню машинных ошибок округления. Программный продукт, реализующий предложенную p-версию, получился достаточно компактным, а метод оказался экономичным: машинное время, необходимое для решения рассмотренных в работе задач, не превышало 3 секунды работы персонального компьютера. Описан алгоритм, позволяющий оценить точность приближенного решения по предложенной p-версии метода в тех случаях, когда точное решение интегрального уравнения неизвестно. A p-version of the collocation method for the numerical solution of Fredholm integral equations of the second kind is proposed and implemented. In the considered implementation, the possibilities are realized for the variation of the polynomial degree in the polynomial representation of the approximate solution of equations and the variation of the number of nodes of the employed Gauss quadrature formula to affect the solution accuracy. The influence of the number of collocation points used for the solution approximation and of the number of nodes of the Gauss quadrature formula on the condition number of the system of linear algebraic equations to the solution of which the construction of the approximate solution is reduced and on its accuracy are studied by the numerical solution of examples, including some examples presented in well-known publications. The proposed algorithm is implemented in the language of the program package Mathematica. In all considered examples, the proposed version of the collocation method has enabled us to reach the accuracy of the solution of equations, which is close to the level of the machine rounding errors. The program product implementing the proposed p-version has proved to be compact and the method turned out to be economical: the machine time required for the solution of problems considered in the paper did not exceed 3 seconds of the CPU time of a personal computer. We describe an algorithm allowing us to estimate the accuracy of the approximate solution obtained by the proposed p-version of the method in the cases where the exact solution of the integral equation is unknown.

Представлен метод балансировки нагрузки вычислений с использованием кривых Гильберта применительно к параллельному алгоритму решения уравнений мелкой воды. Рассматриваемая система уравнений мелкой воды возникает в сигма-модели общей циркуляции океана INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) при разрешении гравитационных волн и является одним из основных блоков модели. Из-за наличия в океанах островов и берегов балансировка нагрузки вычислений на процессоры является особенно актуальной задачей. В качестве одного из таких методов был выбран метод балансировки нагрузки вычислений с использованием кривых Гильберта. Продемонстрирована большая эффективность этого метода по сравнению с равномерным разбиением без балансировки нагрузки и показано, что этот метод служит хорошей альтернативой библиотеке разбиений METIS. Оптимальность реализованного разбиения для мелкой воды точно соответствует оптимальности и для трехмерной сигма-модели INMOM в силу одинакового количества вертикальных уровней во всей расчетной области. This paper presents a method of load balancing using Hilbert space-filling curves applied to a parallel algorithm for solving shallow water equations. We consider the system of shallow water equations in the form presented in the ocean general circulation sigma-model INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). This system of equations is one of the basic blocks of the model. Due to land points in the computational grid, the load balancing is an especially urgent task. The method of load balancing using Hilbert space-filling curves is chosen as one of such methods. The paper demonstrates the greater efficiency of this method in comparison with the uniform partitioning without load balancing. It is shown that this method is a good alternative to the METIS standard library. Moreover, the optimality of the implemented partition for the shallow water equations exactly corresponds to the optimality for the INMOM three-dimensional sigma-model due to the same number of vertical levels in the entire computational domain.

В настоящее время поиск похожих подпоследовательностей требуется в широком спектре приложений интеллектуального анализа временных рядов: моделирование климата, финансовые прогнозы, медицинские исследования и др. В большинстве указанных приложений при поиске используется мера схожести Dynamic Time Warping (DTW), поскольку на сегодняшний день научное сообщество признает меру DTW одной из лучших для большинства предметных областей. Мера DTW имеет квадратичную вычислительную сложность относительно длины искомой подпоследовательности, в силу чего разработан ряд параллельных алгоритмов ее вычисления на устройствах FPGA и многоядерных ускорителях с архитектурами GPU и Intel MIC. В настоящей статье предлагается новый параллельный алгоритм для поиска похожих подпоследовательностей в сверхбольших временных рядах на кластерных системах с узлами на базе многоядерных процессоров Intel Xeon Phi поколения Knights Landing (KNL). Вычисления распараллеливаются на двух уровнях: на уровне всех узлов кластера - с помощью технологии MPI и в рамках одного узла кластера - с помощью технологии OpenMP. Алгоритм предполагает использование дополнительных структур данных и избыточных вычислений, позволяющих эффективно задействовать возможности векторизации вычислений на процессорных системах Phi KNL. Эксперименты, проведенные на синтетических и реальных наборах данных, показали хорошую масштабируемость алгоритма. Nowadays, the subsequence similarity search is required in a wide range of time series mining applications: climate modeling, financial forecasts, medical research, etc. In most of these applications, the Dynamic Time Warping (DTW) similarity measure is used, since DTW is empirically confirmed as one of the best similarity measures for the majority of subject domains. Since the DTW measure has a quadratic computational complexity with respect to the length of query subsequence, a number of parallel algorithms for various many-core architectures are developed, namely FPGA, GPU, and Intel MIC. In this paper we propose a new parallel algorithm for subsequence similarity search in very large time series on computer cluster systems with nodes based on Intel Xeon Phi Knights Landing (KNL) many-core processors. Computations are parallelized on two levels as follows: by MPI at the level of all cluster nodes and by OpenMP within a single cluster node. The algorithm involves additional data structures and redundant computations, which make it possible to efficiently use the capabilities of vector computations on Phi KNL. Experimental evaluation of the algorithm on real-world and synthetic datasets shows that the proposed algorithm is highly scalable.

Рассматривается подход, позволяющий при численном моделировании электромагнитных процессов одновременно учитывать как остаточную намагниченность, так и вихревые токи. Работоспособность разработанного метода верифицируется путем сравнения с результатами экспериментальных измерений для магнита с О-образным магнитопроводом. An approach that allows one to take into account the residual magnetization and the eddy currents simultaneously during the numerical simulation of electromagnetic processes is considered. The efficiency of the proposed approach is verified by comparing with the results of experimental measurements for a magnet with an O-shaped magnetic core.

Рассматривается процедура сглаживающей аппроксимации, которая позволяет адаптировать кусочно-линейную изолинию к ее представлению многочленами до третьего порядка. Сглаживающая аппроксимация уменьшает влияние ошибок линейной интерполяции при построении изолиний. В основе процедуры лежит метод наименьших квадратов. Выполнен анализ методов восполнения данных сплайновой кубической интерполяцией, наиболее часто используемых в практических работах. Рассматривается универсальный подход формирования границы области построения изолиний на основе наличия данных в узлах расчетной сетки. A smoothing approximation procedure that allows one to adapt a piecewise linear isoline to its representation by polynomials up to the third order is considered. The smoothing approximation reduces the effect of linear interpolation errors in isoline plotting. The procedure is based on the least-squares method. The data replenishment methods of spline cubic interpolation, most commonly used in practical work, are analyzed. A universal approach for the formation of boundaries of isoline areas on the basis of data availability at the computational grid nodes is discussed.

Рассматриваются вопросы, связанные с визуализацией течений, содержащих твердые частицы или жидкие капли, в различных практических приложениях. Приводятся примеры визуального представления решений ряда задач двухфазной газовой динамики, связанных с расчетами течений в каналах и вихревых структурах и полученных при помощи лагранжевых подходов. Помимо традиционных подходов к визуализации вихревых течений с частицами и каплями, основанных на построении линий уровня различных характеристик потока, фазовых траекторий и распределений концентрации дискретных включений, применяются сечения Пуанкаре и метод локальных показателей Ляпунова, а также различные критерии идентификации вихревых образований в поле течения. Обсуждается дисперсия частиц в турбулентном потоке и формирование областей с повышенным содержанием дисперсной фазы. В логическом отношении лагранжевый подход к описанию двухфазных течений является простым, но в вычислительном отношении достаточно трудоемким, поскольку для имитации движения примеси требуется проведение большого числа траекторных расчетов пробных частиц. Дополнительные вычислительные трудности связаны с необходимостью локализации частиц в контрольных объемах неструктурированной сетки и восполнением параметров несущего потока. Some issues related to the implementation and physical and mathematical support of computational experiments on the investigation of fluid and gas flows containing Lagrangian coherent vortex structures are considered. Methods and tools designed to visualize vortical flows arising in various practical applications are discussed. Examples of visual representation of solutions of gas dynamics problems computed with Lagrangian approaches to the description of flows of fluid and gas are provided. In addition to traditional approaches to the visualization of vortex flows based on the construction of contours of various flow quantities, the phase trajectories of Lagrangian particles, the Poincare section, and the local Lyapunov exponent method are applied. The Lagrangian approach to the description of two-phase flows is relatively simple, but time-consuming from the computational point of view, because it requires a large number of trajectory calculations of sample particles. Additional computational difficulties come from the need of localization of particles in the control volumes of unstructured mesh and interpolation of flow quantities of gas phase.

Математически проблема сводится к задаче на собственные значения для оператора Лапласа во всем пространстве с кулоновским потенциалом. Для численного решения этой задачи применяется новый математический аппарат, разработанный автором. Инверсией относительно единичной сферы задача сводится к проблеме собственных значений в проколотом в центре единичном шаре. Граничное условие в бесконечности (нулевое) переходит в центр шара. В шаре можно исключить периодическую переменную $\varphi$ и построить дискретизацию, наследующую свойство разделения переменных дифференциального оператора ($h$-матрица). По $\varphi$ выбиралось 11 точек. Клетки $\Lambda_0$, $\Lambda_1$, $\Lambda_2$, $\Lambda_3$, $\Lambda_4$ и $\Lambda_5$ в $h$-матрице соответствуют линиям Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund и Humphreys. Из рассмотрения, представленных расчетов видим, что $\alpha$-линия Lyman определена с точностью $5.43\%$. Таким образом, совпадение результатов расчетов с теоретическими значениями удовлетворительное. Mathematically, the problem under consideration is reduced to the eigenvalue problem for the Laplace operator in the entire space with the Coulomb potential. The new mathematical apparatus developed by the author is applied to the numerical solution of the reduced problem. This problem is reduced to the eigenvalue problem in the unit ball punctured at the center after inversion with respect to the unit sphere. The null boundary condition at infinity is transformed to the condition at the center of the unit sphere. In the sphere it is possible to split off the periodic variable $\varphi$ and to construct the discretization inheriting the property of the separation of variables of the differential operator (the $h$-matrix). Eleven points is chosen based on the values of $\varphi$. The blocks $\Lambda_0$, $\Lambda_1$, $\Lambda_2$, $\Lambda_3$, $\Lambda_4$, and $\Lambda_5$ of the $h$-matrix correspond to the Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund, and Humphreys lines. From the obtained numerical results, it follows that the Lyman-alpha line is determined with the accuracy equal to 5.43\%. Thus, the coincidence of the numerical results with the theoretical values is satisfactory.