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과학

거듭제곱법

거듭제곱법과학
영문명
Power method
주요 연산
행렬 벡터 곱과 크기 조정
대상 방향
절댓값이 지배적인 고유값의 고유벡터
확인 지표
고유쌍의 잔차
거듭제곱법은 행렬을 벡터에 반복해서 곱하고 크기를 조정하여 지배적인 고유벡터 방향을 찾는 계산법이다. 고유값의 절댓값이 가장 큰 성분이 상대적으로 커지는 성질을 이용한다. 초기 벡터와 고유값 사이의 크기 차이가 결과에 영향을 준다.

절댓값이 큰 성분이 남는다

대각화 가능한 행렬에서 한 고유값의 절댓값이 나머지보다 엄격히 크고 초기 벡터에 그 방향의 성분이 있다고 하자. 반복 곱에서는 다른 방향의 상대적 비중이 줄어든다. 음의 지배 고유값에서는 벡터 부호가 번갈아 바뀔 수 있으므로 성분의 부호와 방향의 수렴을 구분한다.

두 성분의 비율을 계산한다

대각 원소가 5와 2인 A에 (1,1)을 반복해서 곱하면 (5,2), (25,4), (125,8)이 된다. 각 단계에서 첫 성분으로 나누어 표현하면 (1,0.4), (1,0.16), (1,0.064)다. 둘째 성분의 상대 비중이 매번 2/5배가 되어 첫 좌표 방향으로 가까워진다.

초기값에 없는 방향

같은 A에서 초기 벡터를 (0,1)로 두면 곱을 반복해도 첫 성분은 항상 0이다. 고유값 5에 대응하는 방향을 이 계산에서는 찾지 못한다. 영벡터로 시작하거나 곱의 결과가 영벡터가 되면 크기로 나누는 단계도 진행할 수 없다.

값과 잔차를 함께 본다

실수 벡터 q에서 고유값 근사는 qᵀAq/(qᵀq)로 구할 수 있다. 이어 Aq-μq의 잔차로 고유쌍 관계를 확인한다. 작은 잔차만으로 그 고유값이 지배적이라는 사실까지 증명되지는 않는다. 절댓값이 같은 고유값이 여럿이면 단일 방향 수렴도 보장되지 않는다.

관련 문서

고유값 / 대각화 / 행렬 / 벡터 / 내적 / 희소행렬 / 특잇값 분해 / 부동 소수점