QR 분해

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qwen-3-235b-a22b-instruct-2507
작성자
익명
작성일
2025.10.04
조회수
18
버전
v1

QR 분해

개요

QR 분해(QR Decom)는 선형 대수에서 행렬 직교행렬(Orth Matrix)과 상각행렬(Upperangular Matrix)의 곱으로 분해하는 기법이다. 주어진 $ m \ n $ 실수 또는소수 행렬 $ A $에 대해 다음과 표현할 수 있다$$ A = QR $$

여기서: - $ Q $는 m \times m $ 크기의 **직교렬** (실수일 경우) 또는 **유니터리 행렬** (복소수일 경우)이며, $ Q^T Q = $ (또는 $ Q^ Q = I $)를 만족한다. - $ R $은 $ m \times n $ 크기의 상삼각행렬*(Upper Triangular Matrix)이며, 아래쪽 삼각 영역의 원소가 모두0이다.

QR 분해는 선형 연립방정식의 해법, 최소제곱법, 고유값 계산 등 수선형대수의 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 한다.


목적과 활용

QR 분해는 다음과 같은 수치 계 문제에서 유용하게 사용된다:

  • 선형 연립방정의 해법: 특히 행렬이 정방행렬이 아닐 경우
  • 최소제곱 문제(Least Squares Problem): $ \min \|Ax - b\| $ 형태의 문제 해결
  • 고유값 알고리즘의 기초: QR 알고리즘의 전처리 단계
  • 행렬의 조건수 분석 및 수치 안정성 확보

QR 분해는 LU 분해와 달리 항상 존재하며, 행렬이 열이 선형 독립일 경우 유일하게 결정된다.


분해 방법

QR 분해를 수행하는 대표적인 알고리즘은 다음 세 가지이다.

1. 그람-슈미트 과정 (Gram-Schmidt Process)

그람-슈미트 직교화는 벡터 집합을 직교 기저로 변환하는 방법으로, QR 분해를 직관적으로 이해할 수 있게 한다.

과정 개요:

행렬 $ A $의 열벡터 $ a_1, a_2, \dots, a_n $에 대해 직교 벡터 $ q_1, q_2, \dots, q_n $을 생성하고, 이를 정규화하여 $ Q $를 구성한다. 이 과정에서 $ R $의 원소는 투영 계수로 얻어진다.

$$ q_k = a_k - \sum_{j=1}^{k-1} \langle a_k, q_j \rangle q_j, \quad \text{정규화 후 } Q = [q_1, \dots, q_n] $$

$$ R_{jk} = \langle q_j, a_k \rangle \quad (j \leq k) $$

단점: 수치적으로 불안정할 수 있음 (특히 고차원에서)

개선 방법: 수정된 그람-슈미트(MGS) 사용


2. 하우스홀더 변환 (Householder Reflections)

하우스홀더 변환은 벡터를 특정 평면에 대해 반사하는 선형 변환으로, 행렬을 점진적으로 상삼각형 만든다.

특징:

  • 수치적으로 매우 안정적
  • 대칭행렬이나 밴드 행렬에 적합
  • 전체 행렬을 상삼각형으로 변환

과정:

각 단계에서 하우스홀더 행렬 $ H_k $를 구성하여 $ A $의 아래쪽 원소를 0으로 만든다. 최종적으로:

$$ H_n \cdots H_1 A = R \quad \Rightarrow \quad A = QR, \quad Q = H_1 \cdots H_n $$

$ Q $는 직교행렬의 곱이므로 직교이다.


3. 기븐스 회전 (Givens Rotations)

기븐스 회전은 특정 평면 내에서 벡터를 회전시켜 특정 원소를 0으로 만드는 방법이다.

특징:

  • 희소 행렬이나 밴드 행렬에 효율적
  • 병렬 처리에 유리
  • 계산량은 하우스홀더보다 큼

활용:

특정 원소 하나를 정밀하게 0으로 만들 수 있어, 제한된 위치의 소거가 필요할 때 유용하다.


예시

다음과 같은 행렬 $ A $를 QR 분해해 보자:

$$ A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 1 & 3 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} $$

하우스홀더 방법을 사용하여 분해하면:

  1. 첫 번째 열 벡터 $ [1, 1, 0]^T $를 $ [r, 0, 0]^T $ 형태로 변환
  2. 하우스홀더 행렬 $ H_1 $ 생성
  3. $ H_1 A $를 계산하여 첫 번째 열 아래를 0으로 만듦
  4. 두 번째 단계에서 두 번째 열 아래를 0으로 만들기 위한 $ H_2 $ 적용

최종적으로 $ Q $와 $ R $을 얻게 되며, $ A = QR $이 성립함을 확인할 수 있다.


수치적 고려사항

  • 안정성: 하우스홀더 > 기븐스 > 그람-슈미트 (수치적 안정성 순)
  • 계산 복잡도: $ O(mn^2) $ (보통 $ m \geq n $일 때)
  • 메모리 사용: $ Q $를 명시적으로 저장할 경우 메모리 소모가 큼 → $ Q $를 암묵적으로 저장하는 방법 사용

관련 알고리즘 및 확장


참고 자료 및 관련 문서

  • Golub, G. H., & Van Loan, C. F. (2013). Matrix Computations (4th ed.). Johns Hopkins University Press.
  • Trefethen, L. N., & Bau, D. (1997). Numerical Linear Algebra. SIAM.
  • 관련 위키 문서:
  • LU 분해
  • SVD 분해
  • 최소제곱법

QR 분해는 수치계산의 핵심 도구로, 알고리즘의 선택은 문제의 크기, 구조, 정밀도 요구사항에 따라 달라진다. 안정성과 효율성을 고려하여 적절한 방법을 선택하는 것이 중요하다.

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