矩陣LU分解


 

    有如下方程組 ,當矩陣 A 各列向量互不相關時, 方程組有位移解,可以使用消元法求解,具體如下:

    使用消元矩陣將 A 變成上三角矩陣

    

    使用消元矩陣作用於向量 b,得到向量 c,

    

    Ax=b 消元后變為 ,即 , 由於  為上三角矩陣, 使用回帶法即可求解方程組。

 

    對矩陣  做如下運算 。在消元過程中,已知 ,如何求解  呢? 表示將矩陣A的第二行乘以 1 再加上矩陣A的第三行得到矩陣B的第三行,矩陣B的第一二行於矩陣A的第一二行保持一致。根據語義, 表示將矩陣B的第二行乘以 -1 再加上矩陣B的第三行得到矩陣A的第三行,矩陣A的第一二行於矩陣B的第一二行保持一致。

    

    

    通過以上觀察, 僅需將對角線下元素相加即可得到,,在矩陣消元過程中,對消元系數取反,然后放在相應的位置即構成了 ,也就是 L 。同時,消元法記錄下了 U,則有 Ux=c, b=Lc。

    由於 L 為下三角矩陣,根據 Lc=b, 可求解 c;U 為上三角矩陣, 根據 Ux=c 可求解 x。

 

    在消元過程中,如果遇到主元位置上為 0 情況時,需要使用行變換矩陣使消元過程得以繼續,PAx=Pb,P為行變換矩陣,記錄矩陣 L,U,P,可實現LU分解,過程如下:

    有方程組 ,對矩陣  進行LU分解:

    1), 

    2)

    3)由於  為 0,需要交換2,3行,則有:

        , ,交換L矩陣中小於第二列下變換因子位置,即交換  與  元素位置;

    4)由於 Lc=Pb, 可計算出 c:

        , 

    5)由於 Ux=c,可計算出 x:

        

 

參考資料 Linear Algebra And Its Applications   Gilbert Strang


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