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喬列斯基分解計算機

將對稱正定矩陣分解為 A = LLᵀ,並提供動畫逐步計算過程。查看下三角矩陣 L 每個元素的完整推導公式,驗證結果,並以視覺化方式探索矩陣分解。

喬列斯基分解計算機
Examples:
Matrix Size: A: 2×2 Symmetric: A[i,j] = A[j,i]
Matrix A 2×2 (symmetric, positive-definite)
[
]
↕ Editing A[i,j] auto-mirrors to A[j,i]

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喬列斯基分解計算機

The Cholesky Decomposition Calculator factors a symmetric positive-definite matrix A into the product of a lower-triangular matrix L and its transpose Lᵀ, so that A = LLᵀ. This factorization is fundamental in numerical linear algebra, offering roughly twice the efficiency of general LU decomposition by exploiting the symmetry and positive-definiteness of the input matrix. The calculator provides animated step-by-step derivations, interactive cell highlighting, and automatic verification that LLᵀ reconstructs A.

How Cholesky Decomposition Works

Given an n×n symmetric positive-definite matrix A, the algorithm computes L column by column. For each column j:

Diagonal element:

$$L_{jj} = \sqrt{A_{jj} - \sum_{k=1}^{j-1} L_{jk}^2}$$

Off-diagonal elements (for i > j):

$$L_{ij} = \frac{1}{L_{jj}} \left( A_{ij} - \sum_{k=1}^{j-1} L_{ik} L_{jk} \right)$$

The algorithm proceeds left to right across columns. Each diagonal element involves a square root, which is guaranteed to be real and positive when A is positive-definite. If a negative value appears under the square root, the matrix is not positive-definite.

Conditions for Cholesky Decomposition

ConditionRequirementWhat Happens If Violated
SymmetricA = Aᵀ (A[i,j] = A[j,i])Decomposition is undefined
Positive-DefiniteAll eigenvalues > 0Negative under square root
Squaren×n matrixNot applicable to rectangular

Key Properties

Lower-Triangular
L has zeros above the diagonal
Unique
If A is positive-definite, L is unique
Efficient
~n³/3 operations vs n³/3 × 2 for LU
Stable
No pivoting needed — always stable
det(A) = det(L)²
Determinant from diagonal of L
Solving Ax = b
Forward then back substitution

How to Use the Cholesky Decomposition Calculator

  1. Select matrix size — Choose from 2×2 up to 6×6. Cholesky decomposition requires a square matrix.
  2. Enter values — Fill in the matrix cells. The calculator auto-mirrors entries across the diagonal to enforce symmetry (editing A[i,j] automatically sets A[j,i]).
  3. Click Decompose — Press the "Decompose A = LLᵀ" button to compute the factorization.
  4. Explore the result — Review the color-coded equation A = L × Lᵀ. Click any cell in L to see its derivation formula. Use "Play All" to auto-step through every element.
  5. Verify — The calculator multiplies L × Lᵀ back together and reports the maximum error, confirming the decomposition is correct.

Real-World Applications

📊
Monte Carlo
Generate correlated random variables from a covariance matrix
📡
Kalman Filters
State estimation in navigation and signal processing
🤖
Machine Learning
Gaussian processes, covariance inversion
📐
Optimization
Newton's method with positive-definite Hessians
💰
Finance
Portfolio risk modeling via correlation decomposition
🏗
Engineering
Finite element method stiffness matrices

Cholesky vs Other Decompositions

MethodFactorizationRequirementsComplexity
CholeskyA = LLᵀSymmetric positive-definiten³/3
LUA = LU (or PA = LU)Invertible2n³/3
QRA = QRAny matrix2n³/3 (Householder)
SVDA = UΣVᵀAny matrix~11n³/3
EigendecompositionA = QΛQᵀSymmetric~9n³

Frequently Asked Questions

What is Cholesky decomposition?

Cholesky decomposition (named after Andre-Louis Cholesky) factors a symmetric positive-definite matrix A into A = LLᵀ, where L is a lower-triangular matrix with positive diagonal entries. It is one of the most efficient and numerically stable matrix factorizations available.

When can Cholesky decomposition be applied?

The matrix must be symmetric (A = Aᵀ) and positive-definite (all eigenvalues strictly positive, or equivalently, xᵀAx > 0 for every nonzero vector x). Common examples include covariance matrices, correlation matrices, Gram matrices (XᵀX for full-rank X), and stiffness matrices in structural engineering.

What if my matrix is not positive-definite?

If the matrix is not positive-definite, you will encounter a negative value under a square root during the decomposition, which is not a real number. The calculator will report an error indicating exactly which diagonal step failed. You may want to check your matrix for symmetry errors, or consider LDLᵀ decomposition for positive semi-definite matrices.

How is Cholesky decomposition used to solve linear systems?

To solve Ax = b, first decompose A = LLᵀ. Then solve Ly = b by forward substitution (since L is lower-triangular), and then solve Lᵀx = y by back substitution. This is about twice as fast as solving via LU decomposition because L and Lᵀ share the same data.

What is the relationship between Cholesky and the determinant?

Since A = LLᵀ, we have det(A) = det(L) × det(Lᵀ) = det(L)². And since L is triangular, det(L) is simply the product of its diagonal entries. This provides an efficient way to compute the determinant of a positive-definite matrix.

Can Cholesky decomposition be applied to complex matrices?

Yes, for complex matrices the condition is that A must be Hermitian positive-definite (A = A*, where A* is the conjugate transpose). The decomposition becomes A = LLᵀ where Lᵀ is replaced by L* (the conjugate transpose of L). This calculator handles real-valued matrices.

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by miniwebtool team. Updated: 2026-04-12

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