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¿Por qué no hacer siempre un sistema lineal de la matriz simétrica?

Esto puede ser una pregunta ingenua, pero como estoy leyendo sobre los diferentes métodos para resolver sistemas lineales del tipo Ax=b con a a n x n matriz, me pregunto por qué nosotros no siempre se debe resolver un sistema equivalente con una simétrica la matriz obtenida al multiplicar la ecuación con la transpuesta de a, es decir, $$A^T A x = A^T b$$

(especialmente en el contexto de los grandes, matrices dispersas y de la matriz de los métodos gratuitos donde simétrica matrices tienen propiedades deseables)?

Editar: Permite considerar que el problema está bien planteado, de modo que la matriz cuadrada a es invertible y la solución x es único.

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Aliaksei Puntos 826

Por un denso, el cuadrado de $A$, el costo de la formación de $A^TA$ es de orden $2n^3$, y el costo de realizar la factorización LU es de orden $2/3n^3$. Por lo tanto, la solución de $A^TAx = A^Tb$ en lugar de $Ax=b$ es más caro.

Para una escasa $A$, $A^TA$ es más denso que el $A$, e incluso puede ser una matriz densa. Por lo tanto, el costo de realizar la factorización LU de a $A$ puede ser mucho menor que el coste de realizar la factorización de Cholesky de a $A^TA$.

Si la ecuación de $A^TAx = A^Tb$ se resuelve mediante la factorización de Cholesky, entonces esta solución se calcula en un hacia atrás de forma estable mientras $\|A\|_2\|b\|_2\approx \|A^Tb\|_2$ y el a priori normwise hacia atrás error es proporcional a $\kappa_2(A) = \|A\|_2\|A^{-1}\|_2$. El normwise forward error es proporcional a $\kappa_2(A)^2$. Al $Ax=b$ se resuelve mediante la factorización LU, entonces el normwise hacia atrás error es proporcional a $\eta = \frac{\||L||U|\|_2}{\|A\|_2}$ y el normwise forward error es proporcional a $\kappa_2(A)\times\eta$. Si $\eta$ está cerca de a $1$ (que normalmente es cierto), luego en el análisis de errores de perspectiva se debe solucionar $Ax = b$.

Si las ecuaciones de $Ax = b$ $A^TAx = A^Tb$ se resuelven mediante métodos iterativos con la misma tolerancia en términos de la norma residual $\|A\hat{x}-b\|_2$, luego de un error de análisis de la perspectiva de ambos métodos son equivalentes. Si la resolución de $A^TAx = A^Tb$ es más rápido, a continuación, este método debe ser elegido. Es difícil predecir apriori, el método que se va más rápido, ya que depende fuertemente de solver y preconditioner utilizado, requiere de la tolerancia, y la matriz de $A$.

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