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unité #5. Analyse numérique matricielle. Giansalvo EXIN Cirrincione. U. 1. . 0. V. . . . =. 0. . n. . . 0. . 0. Full SVD. a 11. . a 1n. . . . . valeurs singulières. . . a m1. . a mn. Décomposition en valeurs singulières ( SVD ). U. 1.
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unité #5 Analyse numérique matricielle Giansalvo EXIN Cirrincione
U 1 0 V = 0 n 0 0 Full SVD a11 a1n valeurs singulières am1 amn Décomposition en valeurs singulières (SVD)
U 1 0 V = 0 n 0 0 a11 a11 a1n a1n U 1 0 V ^ = 0 n am1 am1 amn amn Reduced SVD Décomposition en valeurs singulières (SVD)
Full SVD Reduced SVD Décomposition en valeurs singulières (SVD)
Approximation au sens des moindres carrées Example: polynomial data fitting
f(x) 2 1 0 yi -1 -2 -3 -4 xi 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Approximation au sens des moindres carrées
discrete square wave interpolation least squares m = n = 11 m = 11 , n = 8 Approximation au sens des moindres carrées
Approximation au sens des moindres carrées Posons le problème matriciellement
Matrice de Vandermonde (1735-1796) Approximation au sens des moindres carrées système linéaire de n équations et n inconnues erreur d’approximation
Approximation au sens des moindres carrées forme quadratique Équations normales
r = b - A x b y = A x range(A) = Pb The system is nonsingular iff A has full rank.
Solution par les équations normales factorisation de Cholesky AHA est une matrice n x n hermitienne strictement définie positive 1. Form the matrix AHA and the vector AH b 2. Compute the Cholesky factorization AHA = RHR 3. Solve the lower-triangular system RH w = AH b for w 4. Solve the upper-triangular system R x = w for x
reduced QR factorization 1. Compute the reduced QR factorization 2. Compute the vector 3. Solve the upper-triangular system for x Solution par la factorisation QR (Householder)
1. Compute the reduced SVD 2. Compute the vector 4. Set 3. Solve the diagonal system for w Solution par la SVD
Comparison of algorithms • speed : normal equations • standard : QR factorization • A close to singular : SVD • Drawbacks • normal equations : not always stable in the presence of rounding errors • QR factoriz.: less-than-ideal stability properties if A is close to singular • SVD : expensive for mn
r = b - A x b closeness of the fit = Pb y = A x range(A) Conditionnement du problème des moindres carrées Données : A , b Solutions : x , y
Conditionnement du problème des moindres carrées Données : A , b Solutions : x , y 2-norm relative condition numbers exact for certain b upper bounds
highly ill-conditioned basis very close fit Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple Least squares fitting of the function exp(sin(4)) on the interval [0,1] by a polynomial of degree 14 x15 = 1
reduced Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple factorisation QR (Householder) The rounding errors have been amplified by a factor of order 10 9. This inaccuracy is explained by ill-conditioning, not instability.
Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple factorisation QR (Householder) implicit calculation of the product QH b
Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple factorisation QR (Householder) implicit calculation of the product QH b
Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple factorisation QR (Householder) backward stable
Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple SVD It beats Householder triangularization with column pivoting ( MATLAB's \ ) by a factor of about 3 backward stable
Stabilité des méthodes des moindres carrées exemple équations normales factorisation de Cholesky not even a single digit of accuracy unstable
Stabilité des méthodes des moindres carrées BS least squares algorithm The condition number of the LS problem may lie anywhere in the range to 2 .
Stabilité des méthodes des moindres carrées BS least squares algorithm Cholesky factorization (BS) The normal equations are typically unstable for ill-conditioned problems involving close fits.
Stabilité des méthodes des moindres carrées The solution of the full-rank least squares problem via the normal equations is unstable. Stability can be achieved, however, by restriction to a class of problems in which (A) is uniformly bounded above or (tan)/is uniformly bounded below. The normal equations are typically unstable for ill-conditioned problems involving close fits.