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과학

불완전 LU 분해

불완전 LU 분해과학
영문명
Incomplete LU factorization
약칭
ILU
구성 인자
하삼각행렬 L과 상삼각행렬 U
대표 용도
희소 선형 시스템의 전처리
불완전 LU 분해는 희소성을 제한하면서 하삼각행렬 L과 상삼각행렬 U를 구성하는 근사 분해다. 완전한 LU 분해와 달리 곱 LU가 원래 행렬 A와 정확히 같을 필요는 없다. 주로 반복법의 전처리에 사용하며 ILU라고 줄여 쓴다.

분해 중에 0이 채워지는 이유

두 행렬 인자의 원소가 드문드문 있다고 해서 곱도 같은 위치에서만 0이 아닌 것은 아니다. 소거 과정에서는 원래 0이던 위치에 새로운 원소가 생길 수 있다. 불완전 분해는 이 채움이나 작은 원소의 보관을 제한해 인자를 덜 조밀하게 유지한다.

곱에 새로운 원소가 생기는 예제

A의 세 행을 (4,1,1), (1,4,0), (1,0,4)로 두자. 첫 열을 소거할 때 둘째와 셋째 행에서 첫 행의 1/4을 뺀다. 그러면 원래 0이던 둘째 행 셋째 열과 셋째 행 둘째 열에 -1/4이 생긴다. 완전한 분해에는 이 영향이 이어진다.

ILU(0)의 0은 오차가 아니다

ILU(0)는 기본적으로 원래 희소 패턴 밖의 채움을 허용하지 않는 방식이다. 괄호 속 0은 분해 오차가 0이라는 뜻이 아니다. 예제처럼 새로 생기는 원소의 보관을 막으면 그 위치의 효과가 생략되어 일반적으로 LU와 A 사이에 차이가 남는다.

저장량과 풀이 성능을 함께 보기

더 많은 원소를 남기면 근사가 좋아질 수 있지만 저장량과 삼각 시스템 풀이 비용도 커진다. 전처리 적용은 보통 L과 U를 이용한 풀이로 수행하며 역행렬 전체를 만들 필요가 없다. 인자가 작다는 사실만으로 전체 반복 계산이 빨라진다고 보장할 수는 없다.

관련 문서

LU 분해 / 희소행렬 / 전처리 (수치해석) / GMRES / LSQR / 삼각행렬 / 가우스 소거법