6. Groÿübung. 1 QR-Zerlegung. 2 Givens-Rotationen. Grundaufgabe

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1 6. Groÿüung 1 QR-Zerlegung Als QR-Zerlegung wird die Zerlegung A QR der Matrix A R m n in die rechte oere Dreiecksmatrix R R m n und die orthogonale Matrix Q R m m ezeichnet. Die Lösung des Gleichungssystems Ax kann in der Form Ax QRx Rx Q 1 Q T durch Rückwärtseinsetzen gewonnen werden. Die rechte Seite Q T wird im Laufe der QR-Zerlegung gewonnen. Eine explizite Bestimmung der Matrix Q ist daher i.d.r. nicht erforderlich. Wir ehandeln im Folgenden zwei Verfahren zur Erzeugung der QR-Zerlegung: Givens-Rotationen Householder-Transformationen 2 Givens-Rotationen Grundaufgae Das Prinzip der Givens-Rotationen eruht darauf, die Spalten von A schrittweise durch Drehungen in die wahlweise positive oder negative Richtung der Einheitsvektoren des Koordinatensystems azuilden, wodurch in den Spaltenvektoren entsprechende Nulleinträge entstehen. Ggfs. wird die rechte Seite eenfalls mitehandelt. Die Grundaufgae der Givens-Rotationen esteht folglich darin, eine orthogonale Matrix G zu a nden, welche den gegeenen Spaltenvektor R 2 in Richtung des Einheitsvektors e 1 aildet. a G r 1

2 r entspricht, ggfs. mit aweichendem Vorzeichen, der euklidische Länge des Vektors ± a 2 + 2, r R. a, r Wie im Folgenden gezeigt wird, kann die Matrix G durch die Drehmatrix c s cos φ sin φ G s c sin φ cos φ eschrieen werden. Bemerkung: In der Praxis ist es nicht nötig den Drehwinkel φ explizit zu estimmen. Es müssen nur Werte für c und s estimmt werden. Bestimmung von c und s rechnerische Variante: c s G G 1 s c r 1 c 2 + s 2 c s s c c 2 + s 2 detg 1! a c s a G s c! G T c s s c ca + s sa + c s c a 1 c a 2 c a ± a s ± a r ca + s ± a Die Vorzeichenwahl ± is irrelevant, es wird ein positives Vorzeichen gewählt. Anwendung Die Givens-Rotationsmatrizen G i,k entstehen durch Einettung eener Drehungen in m m-matrizen s. Beispiel. Die Anwendung auf den zur Bestimmung der Rotationsmatrix verwendeten Spaltenvektor von A erzeugt eine Null in der k-ten Zeile. Die Givens-Rotationsmatrizen müssen auf alle Spaltenvektoren von A und ggfs. angewendet werden. Es gilt: G in,k N... G i1,k 1 A R A G T i 1,k 1... G T i N,k N R QR Der Aufwand der Givens-Rotationen eträgt 3 n3 Operationen für ein vollesetztes A R n n. 2

3 Beispiel [A ] a 3,, r a , c a r.6, s r.8 G 12 G 12 [A ] a 5,, r 29, c a r.9285, s r.371 G 13 G 13 G 12 [A ] a 2, 5.92, r 6.27, c a r.319, s r.978 G 23 G 23 G 13 G 12 [A ] Lösen durch Rückwärtseinsetzen: x , x 2.88, x Bemerkung: In der Praxis ist das explizite Aufstellen der Rotationsmatrizen G ik nicht erforderlich. Es genügt die Werte für c und s zu kennen, um diese, ohne formale Matrix-Matrix-Multiplikation, anzuwenden. 3 Householder-Transformationen Grundaufgae Das Prinzip der Householder-Transformation ist ähnlich dem der Givens-Rotation. Statt Drehungen werden eim Householder-Verfahren jedoch Spiegelungen verwendet, und die transformierten 3

4 Spaltenvektoren y sind Elemente des R m. Die Grundaufgae esteht entsprechend darin, eine orthogonale Matrix Q V R m m mit ± y 2 Q V y. zu gegeenem y R m zu nden. Die Grundaufgae wird durch die folgdende Darstellung der Transformationsmatrix Q V Herleitung: Dahmen, Reusken, Numerik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, S. 13: erfüllt Q V I 2 v T v vvt v y + αe 1 α signy 1 y 2 Q V y αe 1 Anwendung Die QR-Zerlegung wird durch sukzessive Anwendung der Transformationsmatrizen Q V gewonnen: R Q VN... Q V1 A Q T A Die QR-Zerlegung der Matrix A R n n durch Householder-Transformationen enötigt 2 3 n3 Operationen. Beispiel [A ] y 3, α signy 1 y v y + αe

5 β : 2 v T v 2 h : v T [A ] 8.385,, r : βvh r 8.385,, [A ] : [A ] r 3.97 y 5.51 v y + αe [5.155, , ] [5.16, , ] , α signy 1 y β : v T 1 v [ ] h : v T [A ] 9.367, 5.51 [ , ] [ ] r : βvh [ , ] [A ] : [A ] r Lösen durch Rückwärtseinsetzen: x , x 2.88, x Bemerkung: In der Praxis ist es nicht erforderlich, den jeweils ersten Spaltenvektor mitzuerechnen. Dieser ist stets α,,..., T. Ferner muss die Matrix r nicht explizit aufgestellt werden. Stattdessen wird direkt die Matrix [A ] r erechnet. Eigenschaften orthogonaler Matrizen Die Eigenschaften orthogonaler Matrizen können Satz 3.1 entommen werden s. Dozenten-Folien, Folie 3.68 oder Dahmen, Reusken, Numerik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, S. 9. 5

7. Großübung. Ax =QRx = b Rx =Q 1 b = Q T b. Wir behandeln im Folgenden zwei Verfahren zur Erzeugung der QR-Zerlegung:

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