Sylvester-Gleichung

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Die Sylvester-Gleichung ist in der Mathematik und der Kontrolltheorie eine Matrix-Gleichung der Form

Dabei sind vier -Matrizen; sind vorgegeben; ist gesucht.

Allgemeiner kann sogar eine -Matrix sein; dann ist eine -Matrix, eine -Matrix und wie eine -Matrix.

Sie ist nach James Joseph Sylvester benannt, der darüber 1884 veröffentlichte.

Der für Anwendungen wichtige Spezialfall, in dem die zu adjungierte Matrix ist, wird auch Ljapunow-Gleichung genannt (nach Alexander Michailowitsch Ljapunow).

Existenz und Eindeutigkeit der Lösung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wegen der Nichtkommutativität des Matrizenprodukts kann die Gleichung nicht direkt aufgelöst werden. Trotzdem ist sie einfach eine lineare Gleichung, die mit den unbekannten, in vektorisierter Form geschriebenen Matrixelementen ein lineares Gleichungssystem bildet.

In kompakter Form kann es mit dem Kroneckerprodukt und dem Vektorisierungsoperator wie folgt geschrieben werden:

Dabei ist die Einheitsmatrix.

Die direkte Lösung dieses Gleichungssystems ist aufwendig ( Elemente in einer dünnbesetzten Matrix, Unbekannte und FLOPs) und darüber hinaus numerisch instabil.

Die Lösung existiert genau dann und ist eindeutig, wenn und keine gemeinsamen Eigenwerte haben.

Numerische Auflösung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Klassisch wird die Lösung stabil und robust mit dem Bartels-Stewart-Algorithmus berechnet. Dabei werden und durch Ähnlichkeitstransformationen in die schursche Normalform gebracht und dabei die Sylvestergleichung in eine einfachere und durch Rückwärtseinsetzen lösbare Dreiecksgestalt transformiert. Die Ähnlichkeitstransformationen erfolgen mit dem aus dem QR-Algorithmus abgeleiteten Francis-Algorithmus.

; ; und sind geeignete Dreiecksmatrizen (Im reellen dürfen sie isolierte Subdiagonalelemente enthalten).

Dabei sind und .

In der einfacheren Dreiecksgestalt kann jetzt direkt und aus bestimmt werden. Die Rechenzeit liegt in der Größenordnung der schurschen Normalform ( FLOPs).

Neuere Algorithmen kommen mit einer Schur-Transformation (z. B. für B) aus und bilden mit der anderen Matrix (z. B. A) nur eine Hessenbergmatrix.

Auch mit den iterativen Solvern für lineare Systeme kann die Lösung berechnet werden.

Referenzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • J. Sylvester: Sur l’equations en matrices . In: C. R. Acad. Sc. Paris. Band 99, 1884, S. 67–71, 115–116.
  • R. H. Bartels, G. W. Stewart: Solution of the matrix equation . In: Communications of the ACM. Band 15, Nr. 9, 1972, S. 820–826, doi:10.1145/361573.361582.
  • R. Bhatia, P. Rosenthal: How and Why to Solve the Operator Equation . In: Bulletin of the London Mathematical Society. Band 29, Nr. 1, 1997, S. 1–21, doi:10.1112/S0024609396001828.
  • Sang-Gu Lee, Quoc-Phong Vu: Simultaneous solutions of Sylvester equations and idempotent matrices separating the joint spectrum. In: Linear Algebra and its Applications. Band 435, Nr. 9, November 2011, S. 2097–2109, doi:10.1016/j.laa.2010.09.034.
  • Jituan Zhou Ruirui Wang and Qiang Niu: A Preconditioned Iteration Method for Solving Sylvester Equations. 2012 (hindawi.com).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]