LU-Zerlegung Rechner (Doolittle)
Berechne die LU-Zerlegung von 2×2- und 3×3-Matrizen mit Doolittles Methode. Lösung linearer Gleichungssysteme Ax=b, Determinante und ausführliche Schritte.
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Haftungsausschluss: Diese Berechnung ist rein indikativ. Für wichtige Entscheidungen konsultieren Sie einen Fachmann.
Die LU-Zerlegung
Die LU-Zerlegung (L = Lower, U = Upper) ist eine der wichtigsten Matrix-Faktorisierungen der numerischen linearen Algebra. Sie schreibt eine quadratische Matrix A als Produkt aus einer unteren Dreiecksmatrix L und einer oberen Dreiecksmatrix U:
A = L · U
Doolittle: diag(L) = 1; Crout: diag(U) = 1. Der Rechner nutzt Doolittle, Standard in LAPACK.
Warum faktorisieren?
- Vorwärtseinsetzen: löst L·y = b, O(n²).
- Rückwärtseinsetzen: löst U·x = y, O(n²).
Bei vielen Vektoren b mit derselben A wird die teure Faktorisierung (O(n³/3)) nur einmal durchgeführt; jede weitere Lösung kostet dann 2n². Grundlage von MATLAB , NumPy, LAPACK, Eigen, R.
Die vier Modi
- LU 2×2: geschlossene Form.
- LU 3×3: mit expliziten Schritten.
- Ax=b 3×3 lösen: LU + Einsetzen.
- Determinante via LU: det(A) = u₁₁·u₂₂·u₃₃.
Doolittle-Algorithmus
Iterativ: berechnet Zeile k von U und Spalte k von L:
Ukj = Akj − Σ Lkp·Upj, Lik = (Aik − Σ Lip·Upk) / Ukk
Kosten O(n³/3), genau wie Gauß-Elimination. n = 1000 → ~330 Mio. FLOP, < 0,1 s mit LAPACK.
Pivot-Problem
Ist ein Pivot Ukk null oder sehr klein, divergiert der Algorithmus. Partielles Pivotieren vertauscht die aktuelle Zeile mit derjenigen, die in der Spalte den betragsgrößten Eintrag hat: P·A = L·U. Der Rechner verwendet Doolittle ohne Pivotieren und erfordert nicht-null Hauptminoren.
Varianten
- Cholesky: A symmetrisch positiv definit, A = L·LT. Halber Aufwand.
- LDLT: symmetrisch, nicht positiv definit.
- Band-LU: schwach besetzte Bandmatrizen der Breite w, Kosten O(n·w²). FEM.
- ILU: Vorkonditionierer für GMRES, BiCGStab.
Vergleich
| Verfahren | Kosten | Stabilität |
|---|---|---|
| LU Doolittle | O(n³/3) | mittel |
| Cholesky | O(n³/6) | hoch |
| QR | O(2n³/3) | sehr hoch |
| SVD | O(n³) | maximal |
Geschichte der LU-Zerlegung
Die LU-Zerlegung wurzelt in der Gauß-Elimination, dem seit Jahrhunderten bekannten Verfahren zum Lösen linearer Gleichungssysteme, das in impliziter Form bereits in der alten chinesischen Mathematik vorkam. Ihre moderne Formulierung als Matrixfaktorisierung A = L·U verdankt sich der Arbeit des 20. Jahrhunderts: 1948 gab Alan Turing im Kontext der ersten Rechner eine strenge Analyse und untersuchte ihre numerische Stabilität, während der Pole Tadeusz Banachiewicz in den 1930er Jahren eine verwandte Formulierung eingeführt hatte. Zu erkennen, dass die Gauß-Elimination der Zerlegung der Matrix in einen unteren Dreiecksfaktor L und einen oberen U entspricht, war ein entscheidender begrifflicher Schritt: er erlaubte, die aufwändige Faktorisierung, nur einmal ausgeführt, von der schnellen Lösung für verschiedene rechte Seiten zu trennen und ebnete den Weg zur modernen numerischen linearen Algebra.
Praktische Anwendungen der LU-Zerlegung
Die LU-Faktorisierung ist eines der Arbeitspferde des wissenschaftlichen Rechnens und der Technik. Sie bildet das Herz numerischer Standardbibliotheken wie LAPACK, die überall dort eingesetzt werden, wo große lineare Systeme gelöst werden: in der Finite-Elemente-Methode zur Strukturanalyse von Brücken und Gebäuden, in der Simulation elektrischer Schaltungen (SPICE), in der numerischen Strömungsmechanik, in der 3D-Grafik und in der Optimierung. Muss man Ax = b für viele verschiedene Vektoren b mit derselben Matrix A lösen, ist LU unschlagbar: A wird nur einmal faktorisiert, danach kostet jede Lösung nur O(n²) Operationen statt O(n³). Sie dient auch zur Berechnung der Determinante, der Inversen und zur Stabilitätsanalyse von Systemen.
Aktualisiert im Juli 2026
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