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Los puntos de Fekete y el séptimo problema de Smale Grupo VARIDIS: Enrique Bendito, Ángeles Carmona, Andrés Marcos Encinas, Jose Manuel Gesto, Agustín Medina. Deptartamento de Matemática Aplicada III

Los puntos de Fekete y el séptimo problema de Smale

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Los puntos de Fekete y el séptimo problema de Smale. Grupo VARIDIS: Enrique Bendito , Ángeles Carmona, Andrés Marcos Encinas, Jose Manuel Gesto , Agustín Medina. Deptartamento de Matemática Aplicada III. Outline. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Los puntos de Fekete y el séptimo problema de Smale

Grupo VARIDIS: Enrique Bendito, Ángeles Carmona,

Andrés Marcos Encinas, Jose Manuel Gesto, Agustín Medina.

Deptartamento de Matemática Aplicada III

Page 2: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Outline

I.1. The Fekete problem and Smale’s 7th problem.

I.2. The Forces Method on the 2-sphere.

II. A numerical-statistical approach to

Smale’s 7th problem.

III. The Forces Method on W-compact sets and

other extensions.

Page 3: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Part I: Introduction to the Fekete problem and to the Forces Method

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The Fekete problem

The search of the regularity:

Stone models of the five Platonic polyhedra. They date from about 2000BC and arekept in the Ashmolean Museum in Oxford (figure extracted from a work by Atiyah and Sutcliffe).

Page 5: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

Best-packing problem:Maximize the minimum distance

between points + constraints.

The solutions of this problem define lattices that exhibite a

high degree of “regularity” (many equilateral triangles).

(Nurmela)

Page 6: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

N. Copernicus(1473-1543)

G. Galilei(1564-1642)

J. Kepler(1571-1630)

I. Newton(1643-1727)

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The Fekete problem

Ch.A. de Coulomb(1736-1806)

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The Fekete problemPotential energy:

Forces field:

Equilibrium positions:

Page 9: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

J.J. Thomson(1856-1940)

The “plum-pudding” model (1904):

Thomson’s problem:

Page 10: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

A. Einstein(1879-1955)

M.K. Planck(1858-1947)

W. Heisenberg(1901-1979)

N. Bohr(1885-1962)

E. Schrödinger(1887-1961)

Page 11: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problemMolecular Mechanics, Electrostatics, Crystallography, structures of viruses,proteins, bacteri, multi-electron bubbles, microclusters of rare gases…

Van der Waals interaction: Lennard-Jones energy

(Bowick et al.)

(Atiyah&Sutcliffe)

J.D. van der Waals(1837-1923)

Page 12: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

M. Fekete(1886-1957)

Transfinite diameter:

Logarithmic potential energy:

Page 13: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

G. Polya(1887-1985)

G. Szegö(1895-1985)

O. Frostman(1907-1977)

Best-packing problem

Page 14: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problemNumerical Integration:

Polynomial Interpolation:

(Hesthaven)

Page 15: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problemComputer Aided Design:

Mesh generation:

Visualization of implicitly defined surfaces:

(Witkin&Heckbert)

(Shimada&Gossard)

(Person&Strang)

Page 16: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Fekete problem

Logarithmic energy:

Newtonian energy:

Best-packing problem:

General case:

Riesz’s energies:

We call the Fekete problem that of determining the N-tuples of points

, that minimize on a compact set

a potential energy functional that depends on the relative

distances between the N points. The N-tuples are called the

Fekete points.

Page 17: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Smale’s 7th problem

S. Smale(1930- )

Fields medalist in 1966.

Personal interests: Complexity Theory and Numerical Analysis (polynomial time algorithms).

With M. Shub, he studied the complexity of theproblem of finding the roots of a polynomial system. The notion of condition number of a polynomial is crucial in this study.

Author of the list “Mathematical problems forthe XXIth century”, presented at the Fields Institute in 1997.

Page 18: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Smale’s 7th problem

It is known that

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Smale’s 7th problem

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Smale’s 7th problem

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Smale’s 7th problem

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Smale’s 7th problem

Page 23: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Smale’s 7th problem

Page 24: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

State of the art

Massive multiextremality: lots of local minimawith very similar energy values.

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State of the art

Massive multiextremality: lots of local minimawith very similar energy values.

Page 26: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

State of the art

Erber&Hockney

for

Page 27: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

State of the art

The energy of the global minimum (the Fekete points) is unknown: few theoretical results.

Potential Theory:

Zhou: numerical results for

Rakhmanov, Saff and Zhou:

Page 28: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

State of the artThe computation of a local minimum is a highly non-linear optimization problem with constraints: the use of numerical methods is necessary.

No general results about convergence, stability, robustness and computational cost have been published.

Many algorithms have been used: Classic Optimization Algorithms (Relaxation, Gradient, Conjugate Gradient, Newton, quasi-Newton), Combinatorial Optimization Methods (Simulated Annealing, Genetic Algorithms), ODE integrators (Runge-Kutta, simplectic integrators).

Most of the research has focused on the case of the 2-sphere and . Recently some authors have presented configurations for thousands of points.

Page 29: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The spiral points: Rakhmanov, Saff and Zhou.

State of the art

Page 30: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Forces Method

+ return algorithm

The algorithm:

Disequilibrium degree:

Page 31: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The Forces Method

+ return algorithm

The algorithm:

Convergence curve:

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Numerical experiments

Page 33: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Numerical experiments

Page 34: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Numerical experiments

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Numerical experiments

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Numerical experiments

Page 37: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

Numerical experiments

Page 38: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The cost of a local minimumCost at each step: the logarithmic energy requires only elementary operations for the actualization of the forces (O(N2) operations), since it is not necessary tocompute the energy.

Page 39: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The cost of a local minimum

Page 40: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The cost of a local minimum

Page 41: Los puntos de Fekete y  el séptimo problema de Smale

The energy

The line-search procedure:minimize the energy in the advance direction.

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MareNostrum (485000 hours): for N=107, a total of 400 steps from a difficult starting position (10080 CPUs working in parallel).

Large scale experiments

The cluster Clonetroop (100000 hours): numerical experiments to study the properties of the Forces Method and the first 2·106 data for Smale’s 7th problem.

The FinisTerrae challenge (350000 hours):I. The cost of a local minimum (150000 hours): -For N=10000, a total of 1000 runs attaining an error of 10-9 . -For N=20000, a total of 100 runs attaining an error of 5·10-10 . -For N=50000, a total of 10 runs attaining an error of 10-10 .II. Robustness (40000 hours, 1024 CPUs working in parallel): -For N=106, a total of 3000 steps from a delta starting position.III. Sample information for Smale’s 7th problem (160000 hours): -Almost 5.1·107 runs for different N between 300 and 1000.

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Large scale experiments

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Large scale experiments

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The FinisTerrae challenge

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The FinisTerrae challenge

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The FinisTerrae challenge

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The FinisTerrae challenge

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The FinisTerrae challenge

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MareNostrum