矩阵分解（1） LU分解 |
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LU分解(LU Decomposition)是矩阵分解的一种，可以将一个矩阵分解为一个下三角矩阵和一个上三角矩阵的乘积（有时是它们和一个置换矩阵的乘积）。LU分解主要应用在数值分析中，用来解线性方程、求反矩阵或计算行列式。 将系数矩阵A转变成等价两个矩阵L和U的乘积 ，其中L和U分别是下三角和上三角矩阵。当A的所有顺序主子式都不为0时，矩阵A可以分解为A=LU，且分解唯一。其中L是单位下三角矩阵，U是上三角矩阵。 LU分解在本质上是高斯消元法的一种表达形式。实质上是将A通过初等行变换变成一个上三角矩阵，其变换矩阵就是一个单位下三角矩阵。这正是所谓的杜尔里特算法（Doolittle algorithm）：从下至上地对矩阵A做初等行变换，将对角线左下方的元素变成零，然后再证明这些行变换的效果等同于左乘一系列单位下三角矩阵，这一系列单位下三角矩阵的乘积的逆就是L矩阵，它也是一个单位下三角矩阵。这类算法的复杂度一般在(三分之二的n三次方) 左右。 i）Doolittle分解 对于非奇异矩阵（任n阶顺序主子式不全为0）的方阵A，都可以进行Doolittle分解，得到A=LU，其中L为单位下三角矩阵，U为上三角矩阵；这里的Doolittle分解实际就是Gauss变换； （ii）Crout分解 对于非奇异矩阵（任n阶顺序主子式不全为0）的方阵A，都可以进行Crout分解，得到A=LU，其中L为下三角矩阵，U为单位上三角矩阵； （iii）列主元三角分解 对于非奇异矩阵的方阵A，采用列主元三角分解，得到PA=LU，其中P为一个置换矩阵，L，U与Doolittle分解的规定相同； （iv）全主元三角分解 对于非奇异矩阵的方阵A，采用全主元三角分解，得到PAQ=LU，其中P，Q为置换矩阵，L，U与Doolittle分解的规定相同； （v）直接三角分解 对于非奇异矩阵的方阵A，利用直接三角分解推导得到的公式（Doolittle分解公式或者Crout分解公式），可以进行递归操作，以便于计算机编程实现； （vi）“追赶法” 追赶法是针对带状矩阵（尤其是三对角矩阵）这一大稀疏矩阵的特殊结构，得出的一种保带性分解的公式推导，实质结果也是LU分解；因为大稀疏矩阵在工程领域应用较多，所以这部分内容需要特别掌握。 （vii）Cholesky分解法（平方根法）和改进的平方根法 Cholesky分解法是是针对正定矩阵的分解，其结果是 A=LDLT=LD(1/2)D(1/2)LT=L1L1T。如何得到L1，实际也是给出了递归公式。 改进的 平方根法是Cholesky分解的一种改进。为避免公式中开平方，得到的结果是A=LDLT=TLT， 同样给出了求T,L的公式。 matlab 源码 >> A=[1 1 -2 -1;3 -1 -3 4;1 5 -9 -8]; %方程系数矩阵 >> b=[1 4 0]'; >> x=solvebyLU(A,b) function [L,U]=myLU(A) %实现对矩阵A的LU分解，L为下三角矩阵 A [n,n]=size(A); L=zeros(n,n); U=zeros(n,n); for i=1:n L(i,i)=1; end for k=1:n for j=k:n U(k,j)=A(k,j)-sum(L(k,1:k-1).*U(1:k-1,j)'); end for i=k+1:n L(i,k)=(A(i,k)-sum(L(i,1:k-1).*U(1:k-1,k)'))/U(k,k); end end |
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