线性代数导论4——A的LU分解

本文是Gilbert Strang的线性代数导论课程笔记。课程地址：http://v.163.com/special/opencourse/daishu.html

第三课时：A的LU分解

一、A=LA分解

消元的目的，只是为了更好正确的认识矩阵的概念，A=LU是最基础的矩阵分解。L是下三角矩阵，U是上三角矩阵。A通过消元最终得到U，L即A与U之间的联系。

先看A矩阵通过初等矩阵消元得到U：

这里要求的是A=LU，L和消元矩阵E是什么联系呢？L与E互为逆矩阵。消元矩阵的逆是比较容易求的 

有时我们将U中的主元提取出来，其余的位置设为0，即diagonal对角阵D，可分解得到LDU，两边各一个三角矩阵，中间一个对角阵。

假设在三维矩阵中，消元步骤中不需要任何行交换，L是各消元矩阵的逆的反向乘积。

为什么要用逆的形式？即上图中为什么下面的逆的形式的等式要比上面的等式要好？

举下面的例子，两个消元矩阵E21（行2减去2倍行1）和E32（行3减去5倍的新行2）相乘得新的右侧消元矩阵，那么，从右侧结果显示，元素10是我们不喜欢的（但它确实是运算结果），E21（行2减去2倍行1）和E32（行3减去5倍的新行2）这种顺序，行1（元素10）怎么就影响到了行3呢？这是因为，第一步中有2倍行1从行2中减去了，然后在第二步中又乘5倍从行3中减去，因此总共在行3中加上了10倍行1。因此，这种形式不是我们喜欢的，但逆的乘积则不是这样的。

对于“第一步中有2倍行1从行2中减去了，然后在第二步中又乘5倍从行3中减去，因此总共在行3中加上了10倍行1”，我举个例子解释一下：

1  2  0

3  4  1  

5  0  5

该矩阵通过以上所描述的进行变换，第一步第二行有：3-2*1    4-2*2    1-2*0

最终第二步第三行有：5-5*（3-2*1）   0-5*（4-2*2）   5-5*（1-2*0）

即：5-5*（3-2*1）   0-5*（4-2*2）   5-5*（1-2*0）= 5-5*3+10*1   0-5*4+10*2   5-5*1+10*0

由这个结果不难看出“总共在行3中加上了10倍行1”的结论了。

现在我们反向计算，顺序倒过来求逆的积。L中矩阵相乘的顺序非常好，2和5不会冲突，不会得到10。即要求出L，不需要任何运算，只需要把所有消元乘数都写进来，就能得到L。

总结下：A=LU，如果不存在行互换，消元乘数，即消元步骤中的需要乘以并减去的那个倍数，消元乘数可以直接写入L中。即只要步骤正确，可以在得到LU过程中把A抛开。例如，当你完成A第二行的消元时，为了得到LU，你只需要记住U中新的第二行是什么，同时消元所用的乘数也需要记住，至于A是什么不需要管。

二、消元耗费次数

消元共耗费了多少次？A变成U

把消元中的一次加和乘操作看为“一次”操作。100*100的矩阵，第一主元的消元需要接近100*100的操作（第一行不变），第二主元的消元需要接近99*99的操作（第二行不变）。。。。

因此n维矩阵的消元一共需要次数接近1/3 N3，1/3是考虑到求和式子中数字在逐渐减小，如果不减小的话应该是n*n2，这才是n3。这其中有微积分的知识：从1到n对x2dx进行积分，结果得到1/3n3，微积分其实是考虑连续情况下的“求和”（但线性代数式离散的）。

另一个问题：之前是A进行消元得到U，那么加上右侧常数列b，它需要多少次操作？把它放到消元步骤中，然后进行回代，一共需要n square次操作，要比A进行变换的次数少得多。

因此，经常有矩阵A和几个右侧向量，这时对A进行更多次操作，将其分解乘L和U，来完成消元，之后就可以以较少次数处理右侧向量了。这时方程组运算中最基本的运算问题。

三、转置与置换permutations，置换矩阵群

若允许行互换，当主元位置为0时，要进行行互换，置换矩阵可以进行行互换。来看看3维下的所有置换矩阵：

3维下一共3*2*1=6个置换矩阵，他们形成的矩阵群有一些特点：

1）置换矩阵两两相乘结果仍然在该群中

2）取其逆，只用将行换回去，结果也在该群中

3）个别置换矩阵的逆矩阵就是其置换矩阵本身（比如上面的前4个，其转置等于本身），但对于所有的，总结来说是：置换矩阵的逆是等于其转置。