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Householder变换:线性代数中的镜像反射器

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1 引言:什么是Householder变换?

Householder变换(Householder transformation)又称为初等反射变换(Elementary reflection)或豪斯霍尔德变换,是线性代数中一种基本而强大的正交变换 🎯。这种变换以美国数学家Alston Scott Householder(1904-1993)的名字命名,尽管历史记录显示苏格兰数学家A.C. Aitken在1932年就已率先提出了这一概念。Householder在1958年强调了该变换在数值线性代数中的重要意义,从而使其成为矩阵计算和数值分析中不可或缺的工具。

从几何角度看,Householder变换描述了一种镜像反射操作——它可以将任意向量关于某个经过原点的超平面进行反射,这个超平面由其法向量确定。这种直观的几何解释与其简洁的代数表示相结合,使得Householder变换在矩阵分解线性方程组求解特征值计算等众多领域中有着广泛应用。

与Givens旋转相比,Householder变换具有一次变换可以零化多个矩阵元素的优点,这使得它在许多实际计算中更加高效。

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2 Householder变换的几何直观与数学定义

2.1 几何直观:镜子中的反射

Householder变换有一个非常直观的几何解释 🔍。在三维空间中,想象一个由法向量u\mathbf{u}u确定的平面镜子。对于任意向量x\mathbf{x}x,Householder变换将其映射为关于这个镜平面的镜像向量y\mathbf{y}y

更一般地,在n维空间中,给定一个单位向量u\mathbf{u}u∣u∣2=1\ | \mathbf{u}\ | _2 = 1 u 2=1),Householder变换定义了关于以u\mathbf{u}u为法向量的超平面的一种反射变换。这个超平面由所有满足u⊤x=0\mathbf{u}^\top \mathbf{x} = 0ux=0的向量x\mathbf{x}x组成,即所有与u\mathbf{u}u正交的向量构成的子空间。

2.2 数学定义与矩阵表示

Householder变换的矩阵形式异常简洁而优美。给定非零向量u\mathbf{u}u,对应的Householder矩阵定义为:

H=I−2uu⊤H = I - 2\mathbf{u}\mathbf{u}^\topH=I2uu

其中III是单位矩阵。

u\mathbf{u}u是单位向量时(即∣u∣2=1\ | \mathbf{u}\ | _2 = 1 u 2=1),这个矩阵具有深刻的几何意义:它表示关于以u\mathbf{u}u为法向量的超平面的反射。

如果需要将向量x\mathbf{x}x反射为与特定向量y\mathbf{y}y同方向,且保持长度不变(即∣Hx∣2=∣x∣2\ | H\mathbf{x}\ | _2 = \ | \mathbf{x}\ | _2 Hx 2= x 2),我们可以通过选择适当的u\mathbf{u}u来实现。常用的构造方法是给定向量x\mathbf{x}x,我们希望找到Householder变换使其映射到基向量e1\mathbf{e}_1e1的倍数:

u=x−αe1∣x−αe1∣2,α=±∣x∣2\mathbf{u} = \frac{\mathbf{x} - \alpha\mathbf{e}_1}{\ | \mathbf{x} - \alpha\mathbf{e}_1\ | _2}, \quad \alpha = \pm\ | \mathbf{x}\ | _2u= xαe1 2xαe1,α=± x 2

这种选择可以确保Hx=αe1H\mathbf{x} = \alpha\mathbf{e}_1Hx=αe1,即通过一次变换将向量x\mathbf{x}x的所有非第一个分量零化。在实际数值计算中,通常选择α=−sign(x1)∣x∣2\alpha = -\text{sign}(x_1)\ | \mathbf{x}\ | _2α=sign(x1) x 2以避免数值不稳定。

3 Householder变换的数学性质

3.1 基本性质

Householder矩阵具有几个非常重要的数学性质,这些性质使得它在数值计算中特别有用:

  1. 对称性H⊤=HH^\top = HH=H
  2. 正交性H⊤H=IH^\top H = IHH=I,即H−1=H⊤=HH^{-1} = H^\top = HH1=H=H
  3. 对合性H2=IH^2 = IH2=I,即应用两次相同的Householder变换会回到原始向量
  4. 行列式det⁡(H)=−1\det(H) = -1det(H)=1
  5. 保范性∣Hx∣2=∣x∣2\ | H\mathbf{x}\ | _2 = \ | \mathbf{x}\ | _2 Hx 2= x 2,保持向量长度不变

这些性质中,正交性保范性尤为重要,因为它们保证了Householder变换在数值计算中不会放大误差,从而具有良好的数值稳定性。

3.2 反射性质证明

Householder变换的反射性质可以从其定义直接推导。对于任意向量x\mathbf{x}x,我们有:

Hx=(I−2uu⊤)x=x−2u(u⊤x)H\mathbf{x} = (I - 2\mathbf{u}\mathbf{u}^\top)\mathbf{x} = \mathbf{x} - 2\mathbf{u}(\mathbf{u}^\top\mathbf{x})Hx=(I2uu)x=x2u(ux)

注意到u⊤x\mathbf{u}^\top\mathbf{x}ux是一个标量,表示x\mathbf{x}xu\mathbf{u}u方向上的投影长度。因此,x−2u(u⊤x)\mathbf{x} - 2\mathbf{u}(\mathbf{u}^\top\mathbf{x})x2u(ux)恰好是x\mathbf{x}x关于以u\mathbf{u}u为法向量的超平面的镜像点。

特别地,对于与u\mathbf{u}u平行的向量x=cu\mathbf{x} = c\mathbf{u}x=cu,有:

H(cu)=cu−2u(u⊤cu)=cu−2cu=−cuH(c\mathbf{u}) = c\mathbf{u} - 2\mathbf{u}(\mathbf{u}^\top c\mathbf{u}) = c\mathbf{u} - 2c\mathbf{u} = -c\mathbf{u}H(cu)=cu2u(ucu)=cu2cu=cu

而对于与u\mathbf{u}u正交的向量x\mathbf{x}x(即u⊤x=0\mathbf{u}^\top\mathbf{x} = 0ux=0),则有:

Hx=x−2u(0)=xH\mathbf{x} = \mathbf{x} - 2\mathbf{u}(0) = \mathbf{x}Hx=x2u(0)=x

这验证了HHH确实表示关于以u\mathbf{u}u为法向量的超平面的反射变换。

4 Householder变换的算法实现

4.1 数值稳定的算法设计

在实际数值计算中,算法的数值稳定性至关重要。Dubrulle在2000年提出了生成一般稀疏向量的数值稳定Householder变换算法。以下是计算Householder向量的标准数值稳定算法:

给定向量x\mathbf{x}x,我们希望计算Householder向量u\mathbf{u}u和标量β\betaβ,使得Hx=σe1H\mathbf{x} = \sigma\mathbf{e}_1Hx=σe1,其中$ | \sigma | = \ | \mathbf{x}\ | _2$。

算法步骤

  1. 计算σ=−sign(x1)∣x∣2\sigma = -\text{sign}(x_1)\ | \mathbf{x}\ | _2σ=sign(x1) x 2
  2. u=x\mathbf{u} = \mathbf{x}u=x
  3. 更新u1=u1−σu_1 = u_1 - \sigmau1=u1σ
  4. 计算β=2u⊤u=2∣u∣22\beta = \frac{2}{\mathbf{u}^\top\mathbf{u}} = \frac{2}{\ | \mathbf{u}\ | _2^2}β=uu2= u 222
  5. 返回u\mathbf{u}uβ\betaβ

这里使用sign(x1)\text{sign}(x_1)sign(x1)并取负号是为了避免抵消现象,增强数值稳定性。如果x1x_1x1是正数,则x1−σx_1 - \sigmax1σ是两个相近正数的减法,可能导致有效数字位数的损失。

5 Householder变换在QR分解中的应用

5.1 QR分解的Householder算法

QR分解是将矩阵分解为正交矩阵QQQ和上三角矩阵RRR乘积的过程,即A=QRA = QRA=QR。使用Householder变换进行QR分解是目前数值稳定性最好的方法之一。

算法的基本思想是通过一系列Householder变换H1,H2,…,HnH_1, H_2, \ldots, H_nH1,H2,,Hn,逐步将矩阵AAA化为上三角形式:

Hn⋯H2H1A=RH_n \cdots H_2 H_1 A = RHnH2H1A=R

由于每个HiH_iHi都是正交矩阵,它们的乘积也是正交矩阵,因此我们有:

A=(H1H2⋯Hn)R=QRA = (H_1 H_2 \cdots H_n) R = QRA=(H1H2Hn)R=QR

其中Q=H1H2⋯HnQ = H_1 H_2 \cdots H_nQ=H1H2Hn是正交矩阵。

5.2 QR分解的逐步过程

AAAm×nm \times nm×n矩阵(m≥nm \geq nmn)。QR分解的Householder算法步骤如下:

  1. 第一步:令a1\mathbf{a}_1a1表示AAA的第一列。构造Householder变换H1H_1H1使得H1a1=r11e1H_1\mathbf{a}_1 = r_{11}\mathbf{e}_1H1a1=r11e1。则:

    H1A=[r11∗⋯∗0⋮B10]H_1A = \begin{bmatrix} r_{11} & * & \cdots & * \\ 0 & & & \\ \vdots & & B_1 & \\ 0 & & & \end{bmatrix}H1A=r1100B1

  2. 第二步:对子矩阵B1B_1B1的第一列(即原矩阵AAA的第二列去掉第一个元素)应用Householder变换H^2\widehat{H}_2H2,并令H2=diag(1,H^2)H_2 = \text{diag}(1, \widehat{H}_2)H2=diag(1,H2)。则:

    H2H1A=[r11r12∗⋯∗0r22∗⋯∗00⋮⋮C200]H_2H_1A = \begin{bmatrix} r_{11} & r_{12} & * & \cdots & * \\ 0 & r_{22} & * & \cdots & * \\ 0 & 0 & & & \\ \vdots & \vdots & & C_2 & \\ 0 & 0 & & & \end{bmatrix}H2H1A=r11000r12r2200C2

  3. 继续此过程:经过nnn步(对于列满秩矩阵)后,我们得到上三角矩阵R=Hn⋯H1AR = H_n \cdots H_1 AR=HnH1A

  4. 重构Q:正交矩阵Q=H1H2⋯HnQ = H_1 H_2 \cdots H_nQ=H1H2Hn

在实际实现中,通常不会显式构造QQQ矩阵,而是存储Householder向量,以便后续计算。

6 Householder变换的其他应用

6.1 矩阵三对角化

对称矩阵特征值问题中,Householder变换可以用于将矩阵化为三对角形式,这是许多特征值算法(如QR算法)的关键预处理步骤。

对于对称矩阵AAA,我们可以通过一系列Householder变换将其化为三对角矩阵TTT

Hn−2⋯H2H1AH1H2⋯Hn−2=TH_{n-2} \cdots H_2 H_1 A H_1 H_2 \cdots H_{n-2} = THn2H2H1AH1H2Hn2=T

这个过程通过n−2n-2n2步完成,每一步将一列和一行中的非三对角元素零化。

与Jacobi方法相比,Householder方法具有更高的收敛速度更好的数值稳定性,特别适用于中大型矩阵的特征值计算。

6.2 最小二乘问题求解

Householder变换在最小二乘问题中也有重要应用。对于超定线性方程组Ax=bAx = bAx=b(其中AAAm×nm \times nm×n矩阵,m>nm > nm>n),最小二乘解可以通过QR分解高效求得。

使用Householder变换对AAA进行QR分解后,最小二乘问题转化为:

min⁡x∣Ax−b∣2=min⁡x∣QRx−b∣2=min⁡x∣Rx−Q⊤b∣2\min_x \ | Ax - b\ | _2 = \min_x \ | QRx - b\ | _2 = \min_x \ | Rx - Q^\top b\ | _2xmin Axb 2=xmin QRxb 2=xmin RxQb 2

由于RRR是上三角矩阵,这个方程组可以通过回代法轻松求解。

与直接解法x=(A⊤A)−1A⊤bx = (A^\top A)^{-1}A^\top bx=(AA)1Ab相比,基于QR分解的方法数值稳定性更好,避免了计算A⊤AA^\top AAA可能导致的条件数平方问题。

6.3 奇异值分解(SVD)

奇异值分解(SVD)的数值计算中,Householder变换也扮演着重要角色。Golub和Kahan在1965年提出的SVD算法就使用了Householder变换将矩阵双对角化,这是计算SVD的关键步骤。

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