QR 분해

선형대수학에서, QR 분해(영어: QR decomposition, QR factorization)는 실수 행렬을 직교 행렬과 상삼각 행렬의 곱으로 나타내는 행렬 분해이다. 그람-슈미트 과정이나 하우스홀더 행렬이나 기븐스 회전을 통해 얻을 수 있으며, 선형 최소 제곱법이나 QR 알고리즘에서 쓰인다.

정의

실수체 또는 복소수체 $\mathbb {K}$ 성분의 $m\times n$ ($m\geq n$) 행렬 $A$는 다음과 같이 분해할 수 있으며, 이를 $A$의 QR 분해라고 한다.

$A=QR$

여기서

• $Q$는 $\mathbb {K}$ 성분의 $m\times m$ 유니터리 행렬이다.
• $R$는 $\mathbb {K}$ 성분의 $m\times n$ 상삼각 행렬이다.

몇 가지 특수한 경우는 다음과 같다.

• $\mathbb {K} =\mathbb {R}$일 경우, $Q$는 직교 행렬이 된다.
• $A$가 가역 행렬일 경우, $Q$의 열들은 항상 $A$의 열공간의 정규 직교 기저를 이룬다. 또한 $R$의 모든 대각 원소가 양수인 QR 분해는 유일하다.

방법

그람-슈미트 과정

벡터 $\mathbf {a} _{1},\mathbf {a} _{2},\cdots ,\mathbf {a} _{n}\in \mathbb {R} ^{m}$이 일차독립이라 하자. 행렬 $A=[{\begin{array}{llll}\mathbf {a} _{1}&\mathbf {a} _{2}&\cdots &\mathbf {a} _{n}\end{array}}]$ 에 대해, 그람-슈미트 직교정규화를 사용하면

$\mathrm {proj} _{\mathbf {e} }\mathbf {a} ={\frac {\left\langle \mathbf {e} ,\mathbf {a} \right\rangle }{\left\langle \mathbf {e} ,\mathbf {e} \right\rangle }}\mathbf {e}$

인 사영 연산자를 이용해서

$\mathbf {u} _{i}=\mathbf {a} _{i}-\sum _{j=1}^{i-1}\mathrm {proj} _{\mathbf {u} _{j}}\mathbf {a} _{i}$

$\mathbf {e} _{i}={\frac {\mathbf {u} _{i}}{\|\mathbf {u} _{i}\|}}$

와 같이 직교정규기저 $\{\mathbf {e} _{1},\mathbf {e} _{2},\cdots ,\mathbf {e} _{n}\}$를 얻을 수 있다.

${\langle \cdot ,\cdot \rangle }$은 내적 $,\;\;{\|{}\|}$는 노름

위 식을 다시 정리하면

$\mathbf {a} _{i}=\sum _{j=1}^{i}\langle \mathbf {e} _{j},\mathbf {a} _{i}\rangle \mathbf {e} _{j}$

가 되므로,

$Q=[{\begin{array}{llll}\mathbf {e} _{1}&\mathbf {e} _{2}&\cdots &\mathbf {e} _{n}\end{array}}]$

$R={\begin{pmatrix}\langle \mathbf {e} _{1},\mathbf {a} _{1}\rangle &\langle \mathbf {e} _{1},\mathbf {a} _{2}\rangle &\langle \mathbf {e} _{1},\mathbf {a} _{3}\rangle &\ldots \\0&\langle \mathbf {e} _{2},\mathbf {a} _{2}\rangle &\langle \mathbf {e} _{2},\mathbf {a} _{3}\rangle &\ldots \\0&0&\langle \mathbf {e} _{3},\mathbf {a} _{3}\rangle &\ldots \\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots \end{pmatrix}}$

와 같이 놓으면 $A=QR$이 성립한다.

예

$A={\begin{pmatrix}12&-51&4\\6&167&-68\\-4&24&-41\end{pmatrix}}$

정규 직교 행렬 $Q$ 는 $Q^{T}\,Q=I$의 성질을 갖고있고,

따라서, $Q$는 다음과 같이 그람-슈미트 절차를 따라서,

$U={\begin{pmatrix}u_{1}&u_{2}&u_{3}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}12&-69&-58/5\\6&158&6/5\\-4&30&-33\end{pmatrix}}$

$Q={\begin{pmatrix}{{u_{1}} \over {\|u_{1}\|}}&{{u_{2}} \over {\|u_{2}\|}}&{{u_{3}} \over {\|u_{3}\|}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}12/14&-69/175&-58/\left(5\times 35\right)\\6/14&158/175&6/\left(5\times 35\right)\\-4/14&30/175&-33/\left(1\times 35\right)\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}6/7&-69/175&-58/175\\3/7&158/175&6/175\\-2/7&6/35&-33/35\end{pmatrix}}$

그리고,

$Q^{T}A=Q^{T}Q\,R=R$

$R=Q^{T}A={\begin{pmatrix}14&21&-14\\0&175&-70\\0&0&35\end{pmatrix}}$

확인해보면,

$A=QR$이므로,

${\begin{pmatrix}6/7&-69/175&-58/175\\3/7&158/175&6/175\\-2/7&6/35&-33/35\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}14&21&-14\\0&175&-70\\0&0&35\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}12&-51&4\\6&167&-68\\-4&24&-41\end{pmatrix}}$

$QR=A$이다.

$QR$분해 된다.

그러나,

분수에의한 부동소수점연산이 관계함으로 오차가 발생할 수 있다.

RQ 분해와의 관계

$RQ$ 분해는 행렬 $A$ 를 상삼각행렬$R$ (직각 삼각형이라고도 함) 및 직교 행렬$Q$ 의 곱으로 변환한다. $QR$분해와의 유일한 차이점은 행렬의 순서이다.

$QR$분해는 첫 번째 열에서 시작된 $A$ 행렬의 열의 그람-슈미트 직교화이다.

$RQ$ 분해는 마지막 행에서 시작하는 $A$ 행렬의 행의 그람-슈미트 직교화이다.

장점과 단점

그람-슈미트 프로세스는 본질적으로 수치적으로 불안정할 수 있다. 투영법의 적용에는 직교화에 대한 주요한 기하학적 유추가 있지만 직교화 자체는 수치 오류가 발생하기 쉽다. 그러나 구현의 용이함이 중요한 장점이다. 사전 작성된 선형 대수 라이브러리(library)를 사용할 수 없거나 용이하지 않은 경우, 이 알고리즘을 프로토타입(prototype)에 사용할 수있는 유용한 알고리즘으로 적용할 수 있다.

하우스홀더 방법

하우스홀더 리플렉터(하우스홀더 변환,Householder reflection)를 이용하여 한 열씩을 상삼각행렬로 바꾸어감으로써 $Q$와$R$을 구할 수 있다. 이 방법은 $Q$행렬을 하우스홀더 행렬의 곱으로 구해주기 때문에, 직접 $Q$를 구할 필요가 없을 때 유용하다. 또, 그람-슈미트 방법과는 달리, 부동소수점 연산에서도 오차가 누적되지 않기 때문에, 실제로 더 많이 활용된다.

예

$A={\begin{pmatrix}12&-51&4\\6&167&-68\\-4&24&-41\end{pmatrix}}$

먼저 행렬 $A$ 의 첫 번째 열을 벡터로 변환하는 리플렉션을 찾아야한다.

$\|{a}_{1}\|\;{e}_{1}=(14,0,0)^{T}$에서,

벡터 ${a}_{1}=(12,6,-4)^{T}$

${u}={x}-\alpha {e}_{1}$

${v}={{u} \over \|{u}\|}$

$\alpha =14$

${x}={a}_{1}=(12,6,-4)^{T}$

따라서,

${u}=(-2,6,-4)^{T}=({2})(-1,3,-2)^{T}$

${v}={{(-1,3,-2)^{T}} \over {\sqrt {14}}}$

하우스홀더 행렬 $Q=I-2{{vv^{T}} \over {1}}$ 에서,

$Q_{1}=I-2{{\begin{pmatrix}-1\\3\\-2\end{pmatrix}} \over {\sqrt {14}}}{{\begin{pmatrix}-1&3&-2\end{pmatrix}} \over {\sqrt {14}}}$

$Q_{1}=I-{2 \over {\sqrt {14}}{\sqrt {14}}}{\begin{pmatrix}-1\\3\\-2\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}-1&3&-2\end{pmatrix}}$

$=I-{1 \over 7}{\begin{pmatrix}1&-3&2\\-3&9&-6\\2&-6&4\end{pmatrix}}$

$={\begin{pmatrix}6/7&3/7&-2/7\\3/7&-2/7&6/7\\-2/7&6/7&3/7\\\end{pmatrix}}.$

확인해보면,

$Q_{1}A={\begin{pmatrix}14&21&-14\\0&-49&-14\\0&168&-77\end{pmatrix}}$

삼각행렬에 접근하고 있음을 알수있다. $3$행$2$열에서 $(3,2)$의 성분 값을 $0$으로 만들면 상삼각행렬을 얻게 된다.

$(1,1)$ 소행렬식에서 다시 위의 절차를 반복해보면,

$A'=M_{11}={\begin{pmatrix}-49&-14\\168&-77\end{pmatrix}}$

위와 같은 방법으로 하우스홀더 변환(Householder transformation)된 행렬을 얻고,

$Q_{2}={\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-7/25&24/25\\0&24/25&7/25\end{pmatrix}}$

$Q_{1},Q_{2}$에서 각각 전치행렬을 수행한 후 프로세스가 올바르게 작동하는지 확인해보고,

$Q_{1}=Q_{1}^{T},Q_{2}=Q_{2}^{T}$ 그리고나서,

$Q=Q_{1}^{T}Q_{2}^{T}={\begin{pmatrix}6/7&-69/175&58/175\\3/7&158/175&-6/175\\-2/7&6/35&33/35\end{pmatrix}}$

그리고,

$Q=Q_{1}^{T}Q_{2}^{T}={\begin{pmatrix}0.8571&-0.3943&0.3314\\0.4286&0.9029&-0.0343\\-0.2857&0.1714&0.9429\end{pmatrix}}$

$R=Q_{2}Q_{1}A=Q^{T}A={\begin{pmatrix}14&21&-14\\0&175&-70\\0&0&-35\end{pmatrix}}$

행렬 $Q$ 는 직교행렬이고 $R$ 은 상삼각행렬이되고 $QR=A$로 $QR$ 분해된다.

기븐스 회전

기븐스 행렬은 특정위치에서 성분값을 $0$ 으로 조작할 수 있는 방법으로 기븐스 회전을 제공한다.

이것은 임의의 행렬을 직교행렬과 특정위치의 성분값이 $0$ 인 상삼각행렬로 분해되게 유도할 수 있게된다.

예

$A={\begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{pmatrix}}$

$A={\begin{pmatrix}12&-51&4\\6&167&-68\\-4&24&-41\end{pmatrix}}$

$\mathbf {a} _{31}=-4$

$G_{1},(12,-4)$

$\theta =\arctan \left({-(-4) \over 12}\right)$

$G_{1}={\begin{pmatrix}\cos(\theta )&0&-\sin(\theta )\\0&1&0\\\sin(\theta )&0&\cos(\theta )\end{pmatrix}}$

$={\begin{pmatrix}0.94868...&0&-0.31622...\\0&1&0\\0.31622...&0&0.94868...\end{pmatrix}}$

$G_{1}\cdot A$ 는 $\mathbf {a} _{31}=0$으로 조작된다.

$G_{1}A={\begin{pmatrix}12.64911...&-55.97231...&16.76007...\\6&167&-68\\0&6.64078...&-37.6311...\end{pmatrix}}$

$G_{2}$ 그리고 $G_{3}$ 도 이러한 절차를 반복한다.

$a_{21}=0$ 그리고 $a_{32}=0$으로 조작된다.

결과로 상삼각행렬$R$을 얻는다. 따라서,

$G_{3}\cdot G_{2}\cdot G_{1}=Q^{T}$

$G_{3}G_{2}G_{1}A=Q^{T}A=R$

$\left(Q^{T}\right)^{T}=Q$

직교행렬에서,

$Q^{T}=Q^{-1},QQ^{T}=Q^{T}Q=I$

그리고, $QR=A$이다.

$A=QR$로 분해된다.

같이 보기

• LU 분해
• 특잇값 분해

참고 문헌

• Weisstein, Eric Wolfgang. “QR decomposition”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.