性质3: ;
性质4: 是 阶Householder矩阵;
性质5:
Householder变换的几何意义就是反射变换。在下图 中,给一
个向量 , 关于以 为法向量的平面 的反射后所得向量是 。
记 , ,则 ,即:该变换是将向量进行反射变换,即镜像变换。
对 ,记 ,则有 ,这表明了 ,即 与 两个向量的长度相同,从上一性质中也可得到几何解释。
假如有两长度相同的向量 , ,令 , ,有 。
推论1.1: 是一个单位基向量,那么对于任意的 ,都有Householder矩阵H,使 , [6]。
由推论可知,对任何向量 ,Householder变换均可将其化为与单位向量 共线的向量。
例1.1 使用Householder变换将向量 化为与自然基向量 共线。
解:由于 , ,为使 为实数,取 ,令 ,则 ,因此 ,即化为与 共线。
1.4 Givens变换
1.4.1 Givens变换定义
我们知道Householder变换可以把一向量的若干相邻分量化零。若只需要将其中一个化零,则要用Givens变换。
给定某实数 ,记 , ,矩阵 是一个 的正交阵,对 , 表示将向量 顺时针旋转 角所得向量,我们将其推广至 :
定义1.5 设 , ,记n阶矩阵
,
称 为Givens矩阵或初等旋转矩阵,这里我们简记为 或 。显然, 是正交矩阵, 。且该变换并不改变向量的模[1]。
1.4.2 Givens变换性质
Givens矩阵有如下性质[1]:
性质1: 性质2: Givens变换 只改变x的第k个和第 个分量。
性质3: 设 , 那么有Givens矩阵序列的乘积 ,可使 。
性质4: 设 (n>1),且 ,那么有Givens矩阵序列的乘积 ,可使 。
若 ,则 的分量是: ,若使 ,只要选择 满足 .
若 ,取 。
若 ,那么 ,这样取的s,t可使 的第 个分量为0。
推论1.2:对任一向量 ,那么有Givens矩阵序列 ,可使 。该推论表明,对任意向量 ,Givens变换也能将其化为与单位向量 共线[9]。
例1.2 使用Givens变换将向量 化为与自然基向量 共线。
解:由 ,取 ,那么Givens矩阵取为 ,则 ;对 , ,取 ,则 。即化为与 共线。
2 QR分解
QR分解具体有Schmidt正交化、Householder变换与Givens变换等方法。这些方法各有其优缺点。其中Schmidt正交化方法是长方阵的QR分解最常用的方法,这种方法直观易懂。与上一个方法对比,Givens变换方法不够直观,但拥有更小的计算量。Householder变换方法与上一个方法相似,且计算量更小,因此使用更加多一些。矩阵的QR分解被大量运用在求解矩阵特征值、线性方程组以及线性最小二乘问题中。
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