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Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 1 Das Verfahren von Cholesky ein geod ¨ atischer Beitrag zur numerischen Mathematik Wolf-Dieter Schuh Institut f ¨ ur Geod ¨ asie und Geoinformation Universit ¨ at Bonn Geod ¨ atische Woche 2014 Session 6: Theoretische Geod ¨ asie Berlin, 7.-9. Oktober 2014

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Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 1

Das Verfahren von Cholesky—

ein geodatischer Beitrag zur numerischen Mathematik

Wolf-Dieter Schuh

Institut fur Geodasie und Geoinformation

Universitat Bonn

Geodatische Woche 2014Session 6: Theoretische Geodasie

Berlin, 7.-9. Oktober 2014

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Contents

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 2

Cholesky factorization

Cholesky applications

Example: GOCE processing

Resume

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Andre-Louis Cholesky

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 3

Andre-Louis Cholesky(1875 - 1918)

Commandant Benoit (1924):

NOTE SUR UNE METHODE DE RESOLUTION DESEQUATIONS NORMALES PROVENANT DE L’APPLICATIONDE LA METHODE DES MOINDRES CARRES A UN SYSTEMED’EQUATIONS LINEAIRES EN NOMBRE INFERIEUR A CELUIDES INCONNUES. — APPLICATION DE LA METHODE ALA RESOLUTION D’UN SYSTEME DEFINI D’EQUATIONSLINEAIRES.Bulletin geodesique, 1924, 2, 67-77

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Andre-Louis Cholesky

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 4

Brezinski (2006?)

unpublished manuscript:

Cholesky, A. (2. Dec. 1910):

Sur la resolution numerique des

systemes d’ equations lineaires

(On the numerical solution of

systems of linear equations)

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Andre-Louis Cholesky

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 4

Brezinski (2006?)

unpublished manuscript:

Cholesky, A. (2. Dec. 1910):

Sur la resolution numerique des

systemes d’ equations lineaires

(On the numerical solution of

systems of linear equations)

(Sept. 2014)

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Cholesky approach

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 5

Nx = n =

RTR x︸︷︷︸z

= n =

RTz = n R x = z

= =

forward substitution backward substitution

⇒ z ⇒ x

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Cholesky factorization

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 6

N = RT

R

n11 n12 n13

n12 n22 n23

n13 n23 n33

=

r11r12 r22r13 r23 r33

r11 r12 r13r22 r23

r33

rii =

√√√√ nii −

i−1∑

k=1

r2ki , i=1, . . . ,m

rij =

(

nij −i−1∑

k=1

rkirkj

)

/rii ,i=1, . . . ,mj=i+1, . . . ,m

Cholesky (forward) reduction

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Cholesky reduction

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 7

Equation interpretation/reading:

rii =

√√√√ nii −

i−1∑

k=1

r2ki

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Cholesky reduction

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 7

Equation interpretation/reading:

rii =

√√√√ nii −

i−1∑

k=1

r2ki

i

i i

i

N R

=

√√√√ −

,

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Cholesky reduction

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 8

Equation interpretation/reading:

rij =

(

nij −i−1∑

k=1

rkirkj

)

/rii

i

j i

i

N R

j

=

(

−⟨

,

⟩)

/

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Cholesky inversion

Choleskyfactorization

A.-L. Cholesky

Cholesky approach

Choleskyfactorization

Cholesky inversion

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 9

N ⇒ R ⇒ N−1

r11 r12 r13r22 r23

r33

n(−1)11 n

(−1)12 n

(−1)13

n(−1)12 n

(−1)22 n

(−1)23

n(−1)13 n

(−1)23 n

(−1)33

n(−1)ii =

1

r2ii− 1

rii

m∑

k=i+1

rikn(−1)ik , i=1, . . . ,m

n(−1)ij = −

m∑

k=i+1

rikn(−1)kj ,

i=1, . . . ,mj=i+1, . . . ,m

Cholesky inversion by backward substitution

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Cholesky applications

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 10

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

Choleskysolver

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

CholeskysolverCholeskyinversion

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

Choleskyparallelsolver

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

Choleskysparsesolver

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

Choleskysparsesolver

Choleskypartialinverse

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

Choleskycomplexsolver

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

partialCholeskysolver

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

partialCholeskysolver

CholeskyMoore-Penrose

inverse

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Cholesky application

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 11

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

⇒decorrelation

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Example: GOCE processing

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

GOCE-TIM

GMM decorrelation

Cholesky revisited

Toeplitz-Cholesky

Adaptive filter

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 12

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GOCE-TIM gravity field model

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 13

GOCE-TIM data segments440 mio observations, eff. 1273 days, 88 segments

Special focus on LOOC (13-Jun-2012 — 21-Oct-2013)4 × 40,578,861 observations, eff. 463 days, 48 segments

LOOC-only models have the same accuracy level as the TIM RL4 model

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Gauss-Markov model — complete decorrelation

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

GOCE-TIM

GMM decorrelation

Cholesky revisited

Toeplitz-Cholesky

Adaptive filter

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 14

input: ℓ, Σ ℓ= Hℓ, Σ= I

model: ℓ+ v = Ax ℓ+v=Ax

principle: vTΣ

−1v vTv

(R

−1)T

= H

Σ = RTR ℓ=(R

−1)T

A=(R

−1)T

A

Σ=(R

−1)T

ΣR−1 = I

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Gauss-Markov model — complete decorrelation

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

GOCE-TIM

GMM decorrelation

Cholesky revisited

Toeplitz-Cholesky

Adaptive filter

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 15

ℓ = Hℓ

ℓ = (R−1)Tℓ

RTℓ = ℓ

RT ℓt =

1

rtt

(

ℓt −t−1∑

i=1

ritℓi

)

=⇒ linear - time variant - recursive - causal - filter

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Gauss-Markov model — complete decorrelation

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

GOCE-TIM

GMM decorrelation

Cholesky revisited

Toeplitz-Cholesky

Adaptive filter

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 16

pros and cons: recursive decorrelation filters

+ finite filter — finite time series

+ flexible with respect to data distribution (data gaps)

+ utilization of sparse structures — finite covariance functions

– recursive procedures are time-consuming

– time variant filter - attended memory O{n2}– computational complexity O{n3} 1

3(n3 + 8n)

– parallel implementation is very elaborately

– scalability O{√cores}

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Decorrelation — Σ =⇒ H

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 17

crucial issue: numerical implementation of the factorization Σ =⇒ H

Decomposition of Computation of R orR Decorrelationmatrix

Decorrelation of ℓ

Σ = RTR Forward Cholesky reduction H = (RT )−1 L= (RT )−1L ⇐⇒ R

TL=L

∗ RT

∗ ∗ ∗

L

=

L

Causal recursive filter

Σ =RRT

Backward Cholesky reduc-tion

H =R−1

L=R−1

L ⇐⇒RL= L

∗ ∗ ∗

R ∗

L

=

L

Anti-causal recursive filter

Σ = (R−1)TR−1 Recursive backward edging H = R L= RL

L

=

∗ ∗ ∗

R ∗

L

Anti-causal non-recursive filter

Σ =R−1

(R−1

)T Recursive forward edging H =RT

L=RT

L

L

=

∗ RT

∗ ∗ ∗

L

Causal non-recursive filter

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Toeplitz systems — Cholesky reduction

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 18

Focus: Causal filter via Cholesky reduction of Toeplitz structured covariancematrices resulting from AR(p) process:

St = α1St−1 + α2St−2 + . . .+ αpSt−p + Et; E ∼ WN(0, Iσ2E)

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Toeplitz systems — Cholesky reduction

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 18

Focus: Causal filter via Cholesky reduction of Toeplitz structured covariancematrices resulting from AR(p) process:

St = α1St−1 + α2St−2 + . . .+ αpSt−p + Et; E ∼ WN(0, Iσ2E)

Yule-Walker equation

γ0 γ1 . . . γp . . . γnγ1 γ0 . . . γp−1 . . . γn−1

......

. . .. . .

...γp γp−1 . . . γ0 . . . γp−1

......

. . .. . .

...γnγn−1 . . . γp−1 . . . γ0

1−α1

...−αp

0...0

=

σ2E

0...00...0

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Toeplitz systems — Cholesky reduction

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 18

Focus: Causal filter via Cholesky reduction of Toeplitz structured covariancematrices resulting from AR(p) process:

St = α1St−1 + α2St−2 + . . .+ αpSt−p + Et; E ∼ WN(0, Iσ2E)

Yule-Walker equation

γ0 γ1 . . . γp . . . γnγ1 γ0 . . . γp−1 . . . γn−1

......

. . .. . .

...γp γp−1 . . . γ0 . . . γp−1

......

. . .. . .

...γnγn−1 . . . γp−1 . . . γ0

1−α1

...−αp

0...0

=

σ2E

0...00...0

Causal non-recursive filter(written in reversed order)

γ0 γ1 . . . γjγ1 γ0 . . . γj−1

......

. . ....

γj γj−1 . . . γ0

r(−1)jj r

(−1)jj

r(−1)j−1,jr

(−1)jj

...

r(−1)1j r

(−1)jj

=

10...0

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Toeplitz systems — Cholesky reduction

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 18

Focus: Causal filter via Cholesky reduction of Toeplitz structured covariancematrices resulting from AR(p) process:

St = α1St−1 + α2St−2 + . . .+ αpSt−p + Et; E ∼ WN(0, Iσ2E)

Yule-Walker equation

γ0 γ1 . . . γp . . . γnγ1 γ0 . . . γp−1 . . . γn−1

......

. . .. . .

...γp γp−1 . . . γ0 . . . γp−1

......

. . .. . .

...γnγn−1 . . . γp−1 . . . γ0

1−α1

...−αp

0...0

=

σ2E

0...00...0

Causal non-recursive filter(written in reversed order)

γ0 γ1 . . . γjγ1 γ0 . . . γj−1

......

. . ....

γj γj−1 . . . γ0

r(−1)jj r

(−1)jj

r(−1)j−1,jr

(−1)jj

...

r(−1)1j r

(−1)jj

=

10...0

Resume: Efficient computation of the filter coefficients

j < p : r(−1)ij , i=1, . . . , j derived from recursive forward edging (left box)

j ≥ p : r(−1)jj = 1

σE; r

(−1)j−k,j = −αk

σE, k=1, . . . , p fixed by coefficient comparison

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Toeplitz systems — Cholesky reduction

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 19

Causal non-recursive filters: Rigorous warmup strategy for finite time series

sparse filter withalmost Toeplitz

structure

warmup:computed by Choleskyrecursive forward edging

main part:results direct from theAR coefficients

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Adaptive whitening filter

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 20

Adaptive causal non-recursive whitening filter: warmup and single gap

sparse filter withalmost Toeplitz

structure

main part:results direct from theAR coefficients

warmup:computed by Choleskyrecursive forward edging

data gaps:computed by Choleskyrecursive forward edging

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Adaptive whitening filter

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 21

Adaptive causal non-recursive whitening filter: multiple gaps

20 40 60 80 100 120

20

40

60

80

100

120

sparse filter withalmost Toeplitz

structure

characteristics:#data points : 120#model : AR(7)-process#gaps : 21

42 4559 65 68100108

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Resume

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 22

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Resume

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 23

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

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Resume

Choleskyfactorization

Choleskyapplications

Example: GOCEprocessing

Resume

Schuh GW2014, Berlin, 7. Okt. 2014 – 23

Cholesky factorization

asymmetric

sparse

supernodal

symmetric

regular

Toeplitz cyclic

positive definite

rectangular

singular

infinite

dense

illposed

1D 2D

block

Thank youfor your

attention !