简介
Cholesky分解是一种分解矩阵的方法, 在线形代数中有重要的应用。Cholesky分解把矩阵分解为一个下三角矩阵以及它的共轭转置矩阵的乘积(那实数界来类比的话,此分解就好像求平方根)。与一般的矩阵分解求解方程的方法比较,Cholesky分解效率很高。
Cholesky是生于19世纪末的法国数学家,曾就读于巴黎综合理工学院。Cholesky分解是他在学术界最重要的贡献。后来,Cholesky参加了法国军队,不久在一战初始阵亡。
Cholesky分解的条件
一、Hermitianmatrix:矩阵中的元素共轭对称(复数域的定义,类比于实数对称矩阵)。Hermitiank意味着对于任意向量x和y,(x*)Ay共轭相等
二、Positive-definite:正定(矩阵域,类比于正实数的一种定义)。正定矩阵A意味着,对于任何向量x,(x^T)Ax总是大于零(复数域是(x*)Ax>0)
Cholesky分解的形式
可记作A = L L*。其中L是下三角矩阵。L*是L的共轭转置矩阵。
可以证明,只要A满足以上两个条件,L是唯一确定的,而且L的对角元素肯定是正数。反过来也对,即存在L把A分解的话,A满足以上两个条件。
如果A是半正定的(semi-definite),也可以分解,不过这时候L就不唯一了。
特别的,如果A是实数对称矩阵,那么L的元素肯定也是实数。
另外,满足以上两个条件意味着A矩阵的特征值都为正实数,因为Ax = lamda * x,
(x*)Ax = lamda * (x*)x > 0, lamda > 0
Cholesky分解的方式
.
可以使用高斯消元法分解矩阵。过程如下:
设A = | a11 w*|
| w K|
= (R1*) * | 1 0 | * R1
| 0 K – w(w*)/a11|
其中,
R1* = | 1 0|
| w/sqrt(a11) I |
R1 = | 1 w/sqrt(a11)|
| 0 I |
如果K –w(w*)/a11大于零,那么就可以一直分解下去。因为它是一个正定矩阵的子矩阵,所以肯定可以满足。
最后:
R* = (R1*)(R2*)…(Rm*)
R =(Rm)…(R2)(R1)
因为矩阵的一半元素很相似,所以算法只需要实现一半就可以了。数据也可以只用一半,这样就节约了很多时间。同样,输出只需要一个上三角矩阵就可以了。
Cholesky分解的算法实现
R = A
For (k = 0, k < m; k++){
For(j = k; j < m; j++){
Rj,j:m = Rj,j:m – Rk,j:m Rkj / Rkk -(1)
}
Rk,k:m = Rk,k:m/ sqrt(Rkk)
}
为了节约数据空间,其中,A仅初始化为上三角矩阵。Cholesky分解的效率分析, 由于(1) 式占用了O(m)的时间,所以总计O(m^3 / 3)。 (参考文献一)
在GPU上可实现为:
__global__ void Core(float *R, int k, int j, int m){//Parallel portion of Cholesky Algorithm int tid = j + threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x; while(tid < m){ float Rkj = R[k * m + j]; float Rkk = R[k * m + k]; R[j*m + tid] = R[j*m + tid] - R[k*m + tid] * Rkj / (Rkk); tid += blockDim.x * gridDim.x; } } __global__ void Core2(float *R, int k, int m){//Parallel portion of Cholesky Algorithm int tid = k + threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x; while(tid < m){ float Rkk = R[k * m + k]; R[k*m + tid] = R[k*m + tid] / sqrt(Rkk); tid += blockDim.x * gridDim.x; } } void CholeskyAlgorithm(float *R, int m){ for(int k = 0; k < m-1; k++){ for(int j = k+1; j < m; j++) Core<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(R, k, j, m); Core2<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(R, k, m); } }
此方法把效率提高到O(N^2)。更进一步地,可以在GPU上把运算时间提高到线性,如下:
__global__ void Core(float *R, int k, int m){ int tid = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x; while( tid < (m-k-1)*(m-k-1) ){ int j = tid / (m-k-1); int l = tid % (m-k-1); if(j <= l ){ j += (k+1); l += (k+1); float Rkj = R[k * m + j]; float Rkk = R[k * m + k]; R[j*m + l] = R[j*m + l] - R[k*m + l] * Rkj / (Rkk); } tid += blockDim.x * gridDim.x; } } __global__ void Core2(float *R, int k, int m){ int tid = k + threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x; while(tid < m){ float Rkk = R[k * m + k]; R[k*m + tid] = R[k*m + tid] / sqrt(Rkk); tid += blockDim.x * gridDim.x; } } void CholeskyAlgorithm(float *R, int m){ for(int k = 0; k < m-1; k++){ Core<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(R, k, m); Core2<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(R, k, m); } }
参考文献:
一. Trefethen,David.Bau,Lloyd,Numerical.Linear.Algebra..
二. http://www.wikipedia.org/