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과학

행렬 균형화

행렬 균형화과학
영문명
Matrix balancing
기본 형태
B=D⁻¹AD
핵심 성질
닮음 변환에 의한 고유값 보존
주요 목적
고유값 관련 수치 계산의 전처리
고유값 계산에서 행렬 균형화는 닮음 변환으로 행과 열의 크기 불균형을 줄이려는 전처리다. 가역 대각행렬에 의한 스케일 조절이나 순열을 사용하며, 원래 행렬의 고유값을 보존하는 구조가 중요하다.

행과 열을 연결해 조절하기

양의 대각행렬 D를 정하고 A의 왼쪽에는 D⁻¹, 오른쪽에는 D를 곱한다. 각 행과 열의 크기를 서로 독립적으로 바꾸는 것이 아니라 닮음 변환이 되도록 연결한다. 행과 열의 1 노름 크기를 비슷하게 만드는 방식이 대표적이다. 이 과정은 새로운 관측 자료를 추가하거나 행렬의 고유값을 원하는 값으로 수정하는 작업이 아니다.

두 변수의 스케일 예제

A의 두 행이 (1,64),(1/64,2)이고 D의 대각 원소가 64,1이라고 하자. D⁻¹AD의 두 행은 (1,1),(1,2)가 된다. 원래 비대각 원소의 큰 차이가 사라지고, 변환 후 각 행의 절댓값 합은 각각 해당 열의 합과 같아진다. 두 행렬의 특성다항식은 모두 λ²-3λ+1이므로 고유값도 같다.

고유벡터를 복원하기

Bv=λv이고 B=D⁻¹AD이면 A(Dv)=λ(Dv)이다. 따라서 균형화한 행렬의 고유벡터 v를 원래 좌표에서 쓰려면 Dv로 변환해야 한다. 고유값이 같다는 사실이 고유벡터 좌표도 같다는 뜻은 아니다. D가 직교 행렬이 아니면 벡터 길이와 각도 역시 그대로 보존되지 않을 수 있다.

평형화와 효과의 확인

선형 연립방정식의 행렬 평형화는 일반적으로 서로 다른 행·열 스케일을 쓸 수 있어 고유값 보존을 요구하는 균형화와 구분해야 한다. 균형화가 모든 문제의 수치 오차를 항상 줄인다고 보장되지는 않는다. 사용한 스케일과 순열을 기록하고 원래 문제로 되돌린 고유벡터의 잔차도 확인한다. 변환 후 숫자 크기가 비슷해 보인다는 사실만으로 정확도가 높아졌다고 판단하지 않는다.

관련 문서

행렬 평형화 / 닮음 변환 / 고유값 / 고유벡터 / 행렬 조건수 / 대각행렬 / 후방 오차