[TI-nspire] 행렬 LU 분해 = LU Decomposition = LU fatorization

행렬 A 를 Lower 행렬과 Upper 행렬의 곱으로 분해하는 것을 의미합니다. 
A = L×U 를 만족하는 행렬 L과 행렬 U를 찾는 과정이라고 할 수 있습니다. 

분명 책에서는 A를 그냥 L*U 로 분해하라고 했는데... 
nspire 에서는 P*A = L*U 꼴로 지맘대로 변형하여 분해하기 때문에 답안지와 다른 풀이를 보여줄 수도 있습니다. 

 원하는 L × U = A

 TI에서 바뀌어버린 1행과 2행

LU Matrix,lMatrix,uMatrix,pMatrix[,Tol]

ㄴ permutation matrix 를 보면 1행과 2행이 바뀐 상황

행렬을 LU 꼴로 분해하기 위해 반드시 P(Permutation)를 곱해서 행의 순서를 바꾸어야만 하는 경우도 있습니다만, 바꾸지 않고도 L*U 분해를 할 수 있음에도 TI 계산기에서 P를 이용햐 행의 순서를 바꾸는 경우가 있습니다. 

P를 활용한 LU분해도 틀린 답은 아니지만... 우리가 원하는 형태의 답은 아닐 수 있기 때문에 (필수적이지 않은!) Permutation 을 피해서, L*U 분해하는 방법을 찾아보겠습니다.

먼저 "TI의 LU명령에서 행이 바뀌는 원인"을 알아야 합니다. TI-nspire 에서는 LU 명령시에 1열을 비교하여 계수의 절대값이 큰 순서로 재배치합니다. (반드시 Permutation 이 일어나야 하는 경우도 결합하여 실행됩니다)

따라서, 행이 바뀌지 않기를 바란다면 특정 행의 요소 전부에 어떤 값을 곱하여 1열의 계수 절대값을 (원하는 순서대로) 내림차순으로 만들어야 합니다.

위의 예에서는 1행 1열의 계수와 2행 1열의 계수가 각각 2와 4로서 2행*1열의 절대값이 더 큰 상태입니다. 따라서 1행 전체를 3이상의 수를 곱하여 주면 크기순으로 정리가 됩니다. 그 다음에 LU 명령으로 분해하고 ⇒ 분해된 L'과 U'를 다시 적당히 가공하면 우리가 원하는 답이 도출됩니다. 

<과정 1> 

A행렬의 1행만을 10배로 만드는 행렬을 M 행렬이라고 하면, M × A = L' × U'  꼴로 분해

ㄴ 일단 순서가 바뀌지 않게 하는 것은 성공함.

<과정 2>

<과정1>은 M × A = L' × U' 꼴로 분해되었으니,  이를 A = L×U 로 재가공

A = (M^-1 × L' × M) × (M^-1 × U')
 L = M^-1 × L' × M
 U = M^-1 × U'

※ A= M^-1 × L' × U' 의 간단한 꼴이 아닌 A= (M^-1 × L' × M) × (M^-1 × U') 와 같은 복잡한 식으로 만든 이유는 L의 대각성분을 1로 만들기 위함입니다. 

그런데, 계수의 비교는 1열에서 끝나는 것이 아니고, 1열을 $\left[\begin{array}{c}a\\ 0\\ 0\end{array}\right]$ 꼴로 만든 후, 2열의 계수를 다시 비교하게 됩니다. 따라서 (2행과 3행의) 2열끼리 계수도 내림차순이 되도록 m배 행렬을 잘 만들 필요가 있습니다.
위의 예제에서는 다행히도 문제가 발생하지는 않았습니다. 

 이 방법은 중간에 Pivot 이 0 이 되어서 반드시 Permutation 을 하여야 하는 경우까지 해결해 주진 않습니다.