Exact linear algebra, polynomial systems and applications of computer algebra
精确线性代数、多项式系统及计算机代数应用
基本信息
- 批准号:RGPIN-2020-04276
- 负责人:
- 金额:$ 4.01万
- 依托单位:
- 依托单位国家:加拿大
- 项目类别:Discovery Grants Program - Individual
- 财政年份:2020
- 资助国家:加拿大
- 起止时间:2020-01-01 至 2021-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Computer algebra systems are vital tools for scientists and engineers. They contain a vast store of mathematical knowledge and provide abilities to manipulate expressions to expand this knowledge using both exact and extended precision numerics. Efficient algorithms in exact arithmetic and correct algorithms in numeric arithmetic are key components in these systems.
This proposal naturally falls into two parts, (1) fast algorithms for symbolic linear algebra and (2) applications of symbolic computation. The second theme is equally divided into (i) algorithms for reduction of invariant polynomial and dynamical systems and (ii) algorithms for determining identities and solutions for multiple definite summation and integration.
In the first part we will pay particular attention to algorithms for faster integer and polynomial matrix arithmetic, something at the heart of modern symbolic computation systems. In particular we will look at matrix normal forms, order bases and their uses for fast matrix polynomial arithmetic along with their applications. As an example, there are computations in algebraic combinatorics which requires fast order basis computation to determine D-finiteness of specific formal power series originating from analysis of algorithms.
Problems and challenges which arise includes linear algebra with matrices or matrix polynomials having parameters, one where the matrix properties change depending on specific values of the parameters. Also matrices of integers or matrices of polynomials, where the growth of coefficient arithmetic is a fundamental concern for efficient algorithms. Finally, while symbolic algorithms typically use exact arithmetic, it is often the case that applications are described in terms of exact algebra but actually work with numeric, floating point coefficients coming from measured data. This is the case, for example, in linear systems theory or control theory, both of which make use of the algebraic formalism of matrix polynomial arithmetic. One then needs to address efficiency and at the same time numerical stability.
The second part of this proposal focuses on the use of computer algebra in applications, particularly those which make significant use of linear or polynomial algebra. In the case of invariant polynomial and dynamical systems we wish to improve the algorithms used to reduce these systems in the presence of symmetries, something which occurs naturally in nature. Specifically one computes invariants and makes use of these to find simpler systems and which in turn provide efficient methods of solving the original systems. In the case of summation and integration, we intend to find new, improved algorithms for constructing reduction algorithms for creative telescoping, a method for finding or verifying summation and definite integration formulas.
Software has always been an important component of our research as it enables one to verify that theory agrees with practice.
计算机代数系统是科学家和工程师的重要工具。它们包含了大量的数学知识,并提供了使用精确和扩展精度数值来操作表达式以扩展这些知识的能力。 精确运算中的高效算法和数值运算中的正确算法是这些系统的关键组成部分。
这个建议自然分为两个部分,(1)快速算法的符号线性代数和(2)应用的符号计算福尔斯。第二个主题是平等地分为(i)算法减少不变多项式和动力系统和(ii)算法确定身份和解决方案的多重定求和和积分。
在第一部分中,我们将特别关注快速整数和多项式矩阵运算的算法,这是现代符号计算系统的核心。 特别是,我们将着眼于矩阵规范形式,基地和他们的使用快速矩阵多项式算术沿着与他们的应用。 作为一个例子,在代数组合学中的计算需要快速的阶基计算来确定源自算法分析的特定形式幂级数的D-有限性。
出现的问题和挑战包括具有参数的矩阵或矩阵多项式的线性代数,其中矩阵属性取决于参数的特定值而改变。还有整数矩阵或多项式矩阵,其中系数算术的增长是有效算法的基本关注点。 最后,虽然符号算法通常使用精确算术,但通常情况下,应用程序是用精确代数来描述的,但实际上使用的是来自测量数据的数字浮点系数。例如,在线性系统理论或控制理论中就是这种情况,这两种理论都使用矩阵多项式算术的代数形式。然后,需要解决效率和同时数值稳定性。
本建议的第二部分侧重于计算机代数在应用中的使用,特别是那些显著使用线性或多项式代数的应用。 在不变多项式和动力系统的情况下,我们希望改进用于在存在对称性的情况下减少这些系统的算法,这在自然界中自然发生。具体来说,一个计算不变量,并利用这些找到更简单的系统,这反过来又提供了有效的方法来解决原来的系统。 在求和和积分的情况下,我们打算找到新的,改进的算法,用于构建减少算法的创造性的伸缩,一种方法,发现或验证求和和定积分公式。
软件一直是我们研究的重要组成部分,因为它使人们能够验证理论与实践的一致性。
项目成果
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