矩阵分解

舒尔补

给定块矩阵 M = [A, B; C, D],其中 A 可逆,A 的舒尔补为 S = D - C A^-1 B。它是以 A 为主元消去块 C 之后,块 D 所剩下的部分。你可以把它读作:当第一个块的影响被折叠进来之后,第二个块的有效行为。

它是块线性代数中最有用的单一量,因为三个不同的问题都归结于它。可逆性:M 可逆当且仅当 A 与 S 都可逆。行列式:det(M) = det(A) det(S)。而 M^-1 的 (2,2) 块恰为 S^-1,故 S 支配着在第一个变量被解出之后第二个变量如何响应。

正定性也会传承。对称矩阵 M 正定,当且仅当 A 正定且其舒尔补 S 正定。这正是分块检验正定性背后的引擎,也是 Cholesky 与 LDL^T 分解背后的引擎——它们不过是反复的舒尔补步骤。

它在各领域都承载实际意义。在统计中,协方差块的舒尔补就是一组高斯变量在给定另一组时的条件协方差。在优化中它出现在 KKT 与鞍点系统里。又由于 S 的条件可能远比 M 差,它也是一个警示信号,提示着一个外表良性的矩阵内部潜藏的数值敏感性。

S = D - C A^-1 B, det(M) = det(A) det(S), (M^-1)_{22} = S^-1

舒尔补就是消去第一个块之后、第二个块上的有效系统。

一个对象,三重收益:它支配可逆性(M 可逆当且仅当 A 与 S 可逆)、行列式(det M = det A det S)与正定性(M 正定当且仅当 A 与 S 正定)。

又称
S = D - C A^-1 B舒尔余