物理学 > 计算物理
[提交于 2025年8月4日
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标题: 基于符号微分代数的快速多极方法的效率提升
标题: Boosting the Efficiency of the Differential Algebra-based Fast Multipole Method Using Symbolic Differential Algebra
摘要: 快速多极子方法(FMM)以与粒子数量成线性关系的效率计算粒子之间的相互作用。 该方法通过根据粒子的空间分布对粒子进行分组,并通过级数展开近似远处区域的相互作用。 微分代数(DA),也称为截断幂级数代数(TPSA),计算函数在给定点的泰勒展开,并允许用户像处理数值一样方便地操作泰勒展开。 这使其成为在FMM中构建展开的便捷而强大的工具。 然而,基于DA的FMM算子通常相比基于其他数学框架(如笛卡尔张量或球面谐波)的实现效率较低。 为了解决这个问题,我们开发了一个用于符号DA计算的C++库,使能够推导出基于DA的FMM算子的显式表达式。 这些符号表达式随后用于生成高度优化的代码,消除了数值DA包中固有的冗余计算。 对于单独的FMM算子,这种方法实现了20到50倍的速度提升。 我们进一步评估了增强型DA-FMM的数值性能,并将其与两种最先进的FMM实现pyfmmlib和无迹笛卡尔张量基FMM进行了比较,针对库仑势。 对于相对误差在$10^{-7}$或更高的情况下,增强型DA-FMM始终优于这两种替代方案。
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