[PDF] Méthode QR Polytech’Paris-UPMC



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Méthode QR Polytech’Paris-UPMC

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque L’une des plus utilisée est la décomposition QR Théorème Soit A une matrice quelconque de Mn,m(C) ∃Q ∈Mm,m une matrice orthogonale, ∃R ∈Mn,m(C) une matrice triangulaire supérieure telles que A = QR On peut utiliser cette décomposition pour résoudre le



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Méthode QR

Polytech'Paris-UPMC

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion

Introduction- p. 2/21

Introduction

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 3/21

Décomposition QR

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque. L'une des plus utilisée est la décomposition QR.Théorème

SoitAune matrice quelconque deMn,m(C).

?Q? Mm,mune matrice orthogonale ?R? Mn,m(C)une matrice triangulaire supérieure telles que A=QR

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 3/21

Décomposition QR

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque. L'une des plus utilisée est la décomposition QR.Théorème

SoitAune matrice quelconque deMn,m(C).

?Q? Mm,mune matrice orthogonale ?R? Mn,m(C)une matrice triangulaire supérieure telles que A=QR On peut utiliser cette décomposition pour résoudre le système linéaire Ax=b

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 3/21

Décomposition QR

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque. L'une des plus utilisée est la décomposition QR.Théorème

SoitAune matrice quelconque deMn,m(C).

?Q? Mm,mune matrice orthogonale ?R? Mn,m(C)une matrice triangulaire supérieure telles que A=QR On peut utiliser cette décomposition pour résoudre le système linéaire

Ax=b?QRx=b

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 3/21

Décomposition QR

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque. L'une des plus utilisée est la décomposition QR.Théorème

SoitAune matrice quelconque deMn,m(C).

?Q? Mm,mune matrice orthogonale ?R? Mn,m(C)une matrice triangulaire supérieure telles que A=QR On peut utiliser cette décomposition pour résoudre le système linéaire

Ax=b?QRx=b?Rx=tQb

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 3/21

Décomposition QR

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque. L'une des plus utilisée est la décomposition QR.Théorème

SoitAune matrice quelconque deMn,m(C).

?Q? Mm,mune matrice orthogonale ?R? Mn,m(C)une matrice triangulaire supérieure telles que A=QR On peut utiliser cette décomposition pour résoudre le système linéaire Ax=b?QRx=b?Rx=tQbAn'est pas forcement carrée (système surdéterminé).

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 3/21

Décomposition QR

Il existe différents moyens de décomposer une matrice quelconque. L'une des plus utilisée est la décomposition QR.Théorème

SoitAune matrice quelconque deMn,m(C).

?Q? Mm,mune matrice orthogonale ?R? Mn,m(C)une matrice triangulaire supérieure telles que A=QR On peut utiliser cette décomposition pour résoudre le système linéaire

Ax=b?QRx=b?Rx=tQbAn'est pas forcement carrée (système surdéterminé).La décomposition n'est pas unique.

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 4/21

Rappel

Définition

(Matrice orthogonales)On appelle matrice orthogonale une matrice dont les colonnes sont orthonormées

C'est à dire les matricesOtelles que :

t OO=I Les matrices orthogonales sont les matrices de changement de

bases orthogonales.SiOest orthogonale,det(O) =±1.Elles ne changent pas la norme associée au produit scalaire :?u?IRm

?Ou?=?u?Le produit de deux matrices orthogonales est une matriceorthogonale : t (OO?)OO?=tO?tOOO?=I

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 5/21

Exemple

Par exemple :

Matrices de rotation,

A=? cosθ-sin(θ) sinθcos(θ)?Matrices de permutation,

A=(((0 1 00 0 11 0 0)))Matrices de symétrie.

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQb

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)Les matrices orthogonales ont de bonnes propriétés :

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)Les matrices orthogonales ont de bonnes propriétés : le déterminant deAest égale à celui deR;

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)Les matrices orthogonales ont de bonnes propriétés :

le déterminant deAest égale à celui deR;multiplier par une matrice orthogonale ne change pas lanorme (Problème des moindres carrés);

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)Les matrices orthogonales ont de bonnes propriétés :

le déterminant deAest égale à celui deR;multiplier par une matrice orthogonale ne change pas lanorme (Problème des moindres carrés);le conditionnement deAest égale à celui deR.

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)Les matrices orthogonales ont de bonnes propriétés :

le déterminant deAest égale à celui deR;multiplier par une matrice orthogonale ne change pas lanorme (Problème des moindres carrés);le conditionnement deAest égale à celui deR.

Cette décomposition est aussi utilisée pour le calcul des valeurs propres d'une matrice (voir cours).

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 6/21

Intéret

Comme la décomposition LU, cette décomposition transformeune matrice quelconque en produit de matrices plus simples. A=QR Une matrice orthogonale est facile à inverser (tQ=Q-1). ?cela peut être utilisé pour la résolution d'équations linéaires : au lieu de résoudreAx=b, on résoutRx=tQbCela fonctionne pour les matrices rectangulaires ?résolution d'équations linéaires surdéterminés (avec plus d'équations que d'inconnues)Les matrices orthogonales ont de bonnes propriétés :

le déterminant deAest égale à celui deR;multiplier par une matrice orthogonale ne change pas lanorme (Problème des moindres carrés);le conditionnement deAest égale à celui deR.

Cette décomposition est aussi utilisée pour le calcul des valeurs propres d'une matrice (voir cours)....

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 7/21

Le problème

On dispose d'une matriceAque l'on veut décomposer enQ orthogonale etRtriangulaire supérieure :

A=((((((((((()))))))))))

Q(((((((((((())))))))))))

R

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 7/21

Le problème

On dispose d'une matriceAque l'on veut décomposer enQ orthogonale etRtriangulaire supérieure :

A=((((((((((()))))))))))

Q(((((((((((())))))))))))

R Le problème est le même que de trouverHorthogonale telle que : HA=R carQ=tH

IntroductionDécomposition QRRappelExempleIntéretLe problèmeDécompositionQRMatrices semblablesConclusion- p. 7/21

Le problème

On dispose d'une matriceAque l'on veut décomposer enQ orthogonale etRtriangulaire supérieure :

A=((((((((((()))))))))))

Q(((((((((((())))))))))))

R Le problème est le même que de trouverHorthogonale telle que : HA=R carQ=tHOn procède par étapes comme pour le pivot de GAUSS IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

HOUSEHOLDER

Comment trouveru

Première itération

Itérations suivantes

AlgorithmeMatrices semblablesConclusion

DécompositionQR- p. 8/21

DécompositionQR

IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

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Première itération

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AlgorithmeMatrices semblablesConclusion- p. 9/21

Étape de la décomposition

On procède de la même façon que le pivot de GAUSS

A=(((((((((())))))))))

aij IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

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Première itération

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AlgorithmeMatrices semblablesConclusion- p. 9/21

Étape de la décomposition

On procède de la même façon que le pivot de GAUSS H

1A=(((((((((())))))))))

a2ij IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

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Première itération

Itérations suivantes

AlgorithmeMatrices semblablesConclusion- p. 9/21

Étape de la décomposition

On procède de la même façon que le pivot de GAUSS H

2H1A=(((((((((())))))))))

a3ij IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

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Étape de la décomposition

On procède de la même façon que le pivot de GAUSS H n-1...H2H1A=(((((((((()))))))))) rij IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

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Première itération

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AlgorithmeMatrices semblablesConclusion- p. 9/21

Étape de la décomposition

On procède de la même façon que le pivot de GAUSS H n-1...H2H1A=(((((((((()))))))))) rij Mais les matricesHisont des matrices orthogonales, donc H -1 i=tHi IntroductionDécompositionQRÉtape de la décompositionSymétriesTransformation de

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