【矩阵计算】QR分解-基于Householder变换

一、QR分解

QR分解是将一个矩阵分解为正交矩阵三角矩阵乘积

QR分解被广泛应用于线性最小二乘问题的求解矩阵特征值的计算

定义2.4.1 如果实矩阵A∈R^(m×n)能化成正交矩阵Q∈R^(m×m)与上三角矩阵R∈R^(m×n)的乘积,即A=QR,则称其为AQR分解。

二、QR分解存在性证明:基于Householder变化实现

已知,通过Householder变换,我们可以将任何一个非零向量x∈R^n转化为‖x‖2*e1,即除第一个元素外,其它元素均为零。

下面通过Householder变化来实现矩阵的QR分解。

仅考虑m=n时的情形。设矩阵A∈R^(n×n),令H1∈R^(n×n)为一个Householder变化,满足

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 于是,利用分块矩阵的运算,得到对矩阵左乘一次Householder变换的结果(使该矩阵第一列变成只有第一个元素非零的向量)

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 其中,A2阶数为n-1。

类似地,继续对A2左乘Householder矩阵,直到最后整个矩阵变成一个n阶的下三角阵。

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 不断重复上述过程,这样,我们得到一系列Householder矩阵

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 最终得到一个下三角阵

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 回看QR分解的主要目的:将矩阵分解成正交阵与三角阵相乘。

我们现在已经得到三角阵,即QR分解中的R,那么Q是什么呢?

已知A=QR,  Hn-1...H2H1A=R,并且Hi正交且正交,得到A=H1H2...Hn-1R于是记Q=H1H2...Hn-1,并且可知Q是正交矩阵,即A=QR

于是得到利用Householder变换进行QR分解的思路:逐一左乘上Householder矩阵,Householder矩阵的阶数从一开始与A一致的n递减,矩阵规模逐步缩小至1阶,结束循环,得到三角阵R。

那么,Q要怎么返回呢?

已知Q是n个Householder矩阵的乘积,即Q=Q1Q2Q3...Qn,其中

Qj=Im-βj*v^(j)*[v^(j)]^T

其中,v^(j)是[0,...,0,vj+1^(j),...,vm(j)]T

假设有矩阵A,在A(j+1:m,j)中存储了第j个Householder向量的基本部分v^(j)(j+1:m)

为了算Q(Householder矩阵乘积),有两种做法:向前累积、向后累积。一般会使用向后累积。

三、矩阵Q的向后累积算法

结合Qj的计算公式

Qj=Im-βj*v^(j)*[v^(j)]^T

求解QR分解中矩阵Q的算法如下

给定矩阵A∈R^(m×n),假设m≥n

Q=Im

for j=n:-1:1  %因为Q是若干个从1阶到n阶的Householder矩阵的乘积,所以Qj的下标j也从n开始,步长-1,到1

    Q=QjQ(左乘Househloder矩阵,改变行)

    Q(j:m,j:m)=Q(j:m,j:m)-(βj*v(j:m))(v(j:m)^T*Q(j:m,j:m))(β*v)(v^T*β)

%从上面推导过程的图可以看到,第j个Householder矩阵,是与Q的每一行从第j列开始相乘,直到m,所以是j:m;同样,是与Q的每一列从第j行开始相乘直到m,所以是j:m。其他变量的范围也与这个对应。

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 四、矩阵R的算法

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注意,此处的v与β都是使用之前博文中的Householder变换得到的返回值。

 五、算法不足

上述算法适用情况是m≥n,即行数≥列数的情况,对于m<n的情况,matlab会报错,需要进一步完善算法讨论。

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