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과학

레일리 몫

레일리 몫과학
영문명
Rayleigh quotient
정의
ρ(x) = x*Ax/(x*x)
벡터 조건
x ≠ 0
대표 맥락
대칭 고유값 문제
레일리 몫은 0이 아닌 벡터 x와 정사각 행렬 A에 대해 x*Ax/(x*x)로 정의하는 스칼라다. 별표는 켤레전치를 뜻하며 실수에서는 전치로 바뀐다. 대칭행렬이나 에르미트 행렬의 고유값을 분석하고 근사하는 데 사용한다.

벡터의 길이를 바꾸어도 같다

x를 0이 아닌 상수로 곱하면 분자와 분모에 같은 절댓값 제곱이 곱해져 약분된다. 따라서 벡터의 크기보다 방향을 보는 양이다. x가 고유값 λ의 고유벡터이면 Ax=λx를 대입해 레일리 몫이 λ임을 확인할 수 있다.

계산값이 항상 고유값인 것은 아니다

A의 대각 원소를 2와 7, x를 (1,2)로 두자. 분자는 2+28=30, 분모는 1+4=5이므로 몫은 6이다. 하지만 A의 고유값은 2와 7이다. 임의의 벡터에서 얻은 몫을 정확한 고유값으로 단정하면 안 된다.

최소와 최대의 의미

이 예제에서 일반적인 실수 벡터 (a,b)의 몫은 (2a²+7b²)/(a²+b²)다. 이는 2와 7의 가중평균이므로 그 사이에 있다. (1,0)에서 최솟값 2, (0,1)에서 최댓값 7을 얻는다. 실수 대칭행렬에서는 이 극값이 각각 가장 작은 고유값과 가장 큰 고유값이다.

잔차도 함께 살펴보기

x=(1,2)에 몫 6을 곱하면 (6,12)지만 Ax=(2,14)다. 차이는 (-4,2)로 0이 아니므로 이 벡터는 고유벡터가 아니다. 근사 고유값과 벡터를 검사할 때는 Ax-ρ(x)x의 크기까지 확인해야 한다.

관련 문서

고유값 / 대칭행렬 / 란초스 반복법 / 거듭제곱법 / 내적 / 벡터 / 복소수