In der linearen Algebra bezeichnet das Schur-Komplement eine Matrix, die sich aus den einzelnen Blöcken einer größeren Matrix berechnet. Das Schur-Komplement ist nach Issai Schur benannt.
Sei M eine
-Matrix, die aus vier Teilblöcken zusammengesetzt ist:
.
Dabei sei A eine
-, B eine
-, C eine
- und D eine
-Matrix. Des Weiteren sei vorausgesetzt, dass A invertierbar ist.
Die Matrix
![{\displaystyle S=D-CA^{-1}B\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dea595cd9937d744e14ff663ea9f783ec1dbfe41)
heißt Schur-Komplement von A in M.
Das Schur-Komplement lässt sich als Ergebnis eines Schritts des Gaußschen Eliminationsverfahrens auf Ebene der Matrixblöcke interpretieren: Die formale Anwendung der Gaußelimination auf die
-Blockmatrix
entspricht der Multiplikation von links mit der Matrix
![{\displaystyle L=\left({\begin{matrix}I_{n}&0\\-CA^{-1}&I_{m}\end{matrix}}\right),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6878a12220f16a9ccb253b54aa2dbc4aeb3eaeee)
wobei
und
die
- bzw.
-Einheitsmatrizen bezeichnen. Das Schur-Komplement erscheint dann im unteren, rechten Block des Matrizenprodukts:
![{\displaystyle LM=\left({\begin{matrix}A&B\\0&D-CA^{-1}B\end{matrix}}\right).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/19d225d98b28c05cf900ba99ad2b9bdb8a5836eb)
Daher kann die Inverse von
aus der Inversen von
und von seinem Schur-Komplement
berechnet werden:
![{\displaystyle \left({\begin{matrix}A&B\\C&D\end{matrix}}\right)^{-1}=\left({\begin{matrix}A^{-1}+A^{-1}BS^{-1}CA^{-1}&-A^{-1}BS^{-1}\\-S^{-1}CA^{-1}&S^{-1}\end{matrix}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/359f6964616db72ecc3f221fffbba7809ee46b20)
oder auch
![{\displaystyle \left({\begin{matrix}A&B\\C&D\end{matrix}}\right)^{-1}=\left({\begin{matrix}I_{n}&-A^{-1}B\\0&I_{m}\end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}A^{-1}&0\\0&S^{-1}\end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}I_{n}&0\\-CA^{-1}&I_{m}\end{matrix}}\right).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ceed07929993599873666abb482d1d7735b24f4a)
Unter der Voraussetzung, dass M symmetrisch ist, ist M dann und nur dann positiv definit, wenn A und das Schur-Komplement S positiv definit sind.
Analog zur oben angegebenen Definition lässt sich auch das Schur-Komplement zum Block D bilden.
Für zwei invertierbare Matrizen gleicher Größe
und
mit den Teilmatrizen
bzw.
seien
und
die entsprechenden Schur-Komplemente von
in
, bzw.
in
. Mit der Definition des folgenden Matrix-Produkts
und wenn
das Schur-Komplement von
bezeichnet, das in entsprechender Weise wie für
gebildet wird, gilt, dass das Schur-Komplement des Produkts gleich dem Produkt der Schur-Komplemente ist: ![{\displaystyle S_{*}=S_{1}*S_{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/707ca8c4321e9c43b18ab5cf7e3625e956589178)
Das Schur-Komplement kann zur Lösung von linearen Gleichungssystemen der Form
![{\displaystyle \left({\begin{matrix}A&B\\C&D\end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}x\\y\end{matrix}}\right)=\left({\begin{matrix}f\\g\end{matrix}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e52e2a340be6af6f0a0bd19b157b76f4758f4b96)
eingesetzt werden. Dabei bezeichnen x und f Vektoren der Länge n und y und g Vektoren der Länge m. Ausgeschrieben lautet dieses Gleichungssystem:
![{\displaystyle Ax+By=f\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e0e701d2fc60a2f3185ba4f1dc0011f86209ea50)
![{\displaystyle Cx+Dy=g\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bb2b399fa0870e4232ad4177d4f55ddcefdbffec)
Multiplikation der ersten Gleichung von links mit
und Addition zur zweiten Gleichung liefert
![{\displaystyle (D-CA^{-1}B)y=g-CA^{-1}f.\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35b8336c579a0db44cd8ca9ff444ee10116576d1)
Wenn man also A und S invertieren kann, dann kann man diese Gleichung nach y auflösen und dann
![{\displaystyle Ax=f-By\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/272916f446991242683c4cd20ca6af5e0bc5d595)
berechnen, um die Lösung
des ursprünglichen Problems zu erhalten.
Die Lösung eines
-Systems reduziert sich damit auf die Lösung eines
- und eines
-Systems.
Eine wichtige Bemerkung in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass die inverse Matrix
in manchen iterativen numerischen Algorithmen wie Krylov-Unterraum-Verfahren nicht explizit gebildet werden muss. Wie eine genauere Betrachtung der zu lösenden Gleichungssysteme zeigt, wird nur die Wirkung von
auf die Vektoren
und, im Laufe der iterativen Lösung von
, auf die vorherige Lösung
benötigt, sodass die Bildung der Inversen als Lösung eines linearen Gleichungssystems aufgefasst werden kann. Gerade bei dünn besetzten Matrizen ist dadurch eine sehr effiziente Lösung möglich.