Polarzerlegung

Polarzerlegung ist ein Begriff aus der linearen Algebra und Funktionalanalysis, beides Teilgebiete der Mathematik. Er bezieht sich auf eine spezielle Zerlegung in ein Produkt von Matrizen mit reellen oder komplexen Einträgen, und in Verallgemeinerung von linearen Operatoren auf einem Hilbert-Raum. Die Polarzerlegung von Matrizen und Operatoren verallgemeinert die Polarzerlegung einer nichtverschwindenden komplexen Zahl in das Produkt ihres Betrags r = |z| und einer Zahl $e^{i \varphi}$ auf dem komplexen Einheitskreis, mit dem Argument $\varphi$ von , also $z=r\cdot e^{{i\varphi }}$ .

Polarzerlegung reeller oder komplexer Matrizen

Ist eine quadratische Matrix, so bezeichnet man als (rechte) Polarzerlegung eine Faktorisierung

$A=U\,P$ ,

wobei

im reellen Fall eine orthogonale und eine positiv semidefinite symmetrische Matrix ist und
im komplexen Fall eine unitäre und eine positiv semidefinite hermitesche Matrix ist.

Ist invertierbar, so ist die Zerlegung eindeutig, positiv definit und bzw. sind die orthogonalen bzw. unitären Matrizen mit dem geringsten bzw. größten Abstand zu .

Berechnung der Polarzerlegung

Die reellen Methoden sind ein Spezialfall der komplexen, wobei die adjungierte Matrix $X^{\ast }$ dann gleich der transponierten Matrix $X^{T}$ ist.

Über die Singulärwertzerlegung

Mit der Singulärwertzerlegung

$A=V\,\Sigma \,W^{*}$

kann man die Polarzerlegung als

$U=V\,W^{*}$ und $P=W\,\Sigma \,W^{*}$

bestimmen.

Als iterative Bestimmung des symmetrischen Faktors

Die Matrix kann als die eindeutig bestimmte positiv semidefinite Quadratwurzel von

$B=A^{\ast }\,A=PU^{*}UP=P^{2}$

bestimmt werden. Dazu kann das Heronsche Wurzelverfahren verallgemeinert werden zu

$P_{0}=I$ und $P_{{k+1}}={\tfrac 12}(P_{k}+P_{k}^{{-1}}B)$ .

Ist invertierbar, so konvergiert das Verfahren mit Grenzwert und $U=A\,P^{{-1}}$ .

Als iterative Bestimmung des orthogonalen Faktors

Ein anderes aus dem Heronschen Wurzelziehen abgeleitetes Verfahren bestimmt den unitären Faktor als Grenzwert der Rekursion

$U_{0}=A$ und $U_{{k+1}}={\tfrac 12}(U_{k}+(U_{k}^{*})^{{-1}})$ .

Diese ist lokal quadratisch konvergent. Zur Beschleunigung der globalen Konvergenz, insbesondere falls alle Singulärwerte von sehr groß oder alle sehr klein sind, reskaliert man die Iteration zu

$U_{{k+1}}={\tfrac 12}(\gamma _{k}U_{k}+(\gamma _{k}U_{k}^{*})^{{-1}})$ ,

wobei $\gamma _{k}^{{-1}}$ nahe dem geometrischen Zentrum der Singulärwerte von $U_{k}$ liegen sollte und durch Kombinationen verschiedener Matrixnormen von $U_{k}$ und deren Inverser geschätzt werden kann. Vorgeschlagen wurden unter anderem die Faktoren

$\gamma _{k}={\sqrt[ {4\;}]{{\frac {\|U_{k}^{{-1}}\|_{1}\,\|U_{k}^{{-1}}\|_{\infty }}{\|U_{k}\|_{1}\,\|U_{k}\|_{\infty }}}}}$

mit den Zeilen- und Spaltensummennormen sowie

$\gamma _{k}={\sqrt {{\frac {\|U_{k}^{{-1}}\|_{F}}{\|U_{k}\|_{F}}}}}$

mit der Frobeniusnorm.

Polarzerlegung von Operatoren

Eine (linke bzw. rechte) Polarzerlegung eines stetigen linearen Operators auf einem Hilbertraum, das heißt $A\in {\mathcal {L}}(H)$ , ist eine der folgenden multiplikativen Zerlegungen:

$A=U{\sqrt {A^{{*}}A}}={\sqrt {AA^{{*}}}}\,U$ .

Hier sind ${\sqrt {A^{*}A}}$ und ${\sqrt {AA^{*}}}$ positive Operatoren, die mittels des stetigen Funktionalkalküls gebildet werden, und $U\in {\mathcal {L}}(H)$ ist eine partielle Isometrie, das heißt $U^{*}UU^{*}U=U^{*}U$ . Zu jedem stetigen linearen Operator auf einem Hilbertraum existiert eine solche Polarzerlegung. Statt ${\sqrt {A^{{*}}A}}$ schreibt man auch $\left|A\right|$ . Wenn invertierbar ist, so auch |A| und ist unitär.

Anwendungsbeispiel

In der Kontinuumsmechanik findet die „polare Zerlegung“ des Deformationsgradienten eine Anwendung in der Beschreibung von Deformationen und den daraus definierten Verzerrungstensoren.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de