Skip to content

Schur Complement

Using the matrix multiplication row and column identities.

Schur Complement of D

Let

\[ A \in \mathbb{R}^{p \times p},\quad B \in \mathbb{R}^{p \times q},\quad C \in \mathbb{R}^{q \times p},\quad D \in \mathbb{R}^{q \times q}, \quad X_1 \in \mathbb{R}^{p \times l},\quad X_2 \in \mathbb{R}^{q \times l} \]
\[ M = \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} \]
\[ \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} X_1 \\ X_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A \\ C \end{bmatrix} X_1 + \begin{bmatrix} B \\ D \end{bmatrix} X_2 \]

and

\[ \begin{bmatrix} Y_1 & Y_2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} = Y_1 \begin{bmatrix} A & B \end{bmatrix} + Y_2 \begin{bmatrix} C & D \end{bmatrix} \]

We aim to remove \(C\) from the lower entry of the matrix via column Gaussian elimination steps.

We just need to take the first col block minus second col block times \(D^{-1}C\)

\[ \begin{align*} \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_p \\ -D^{-1}C \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} A \\ C \end{bmatrix} I_p + \begin{bmatrix} B \\ D \end{bmatrix} (-D^{-1}C) \\ &= \begin{bmatrix} A \\ C \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} B (-D^{-1}C) \\ D (-D^{-1}C) \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} A - BD^{-1}C \\ 0 \end{bmatrix} \end{align*} \]

Also,

\[ \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 \\ I_q \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A \\ C \end{bmatrix} 0 + \begin{bmatrix} B \\ D \end{bmatrix} I_q = \begin{bmatrix} B \\ D \end{bmatrix} \]

Hence

\[ \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & B \\ 0 & D \end{bmatrix} \]

Similarly we now want to remove the \(B\) component from

\[ \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & B \\ 0 & D \end{bmatrix} \]

via linear combinations of row blocks.

Let \(A^\star = A - BD^{-1}C\).

Then

\[ \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A^\star & B \\ 0 & D \end{bmatrix} = I_p \begin{bmatrix} A^\star & B \end{bmatrix} - B D^{-1} \begin{bmatrix} 0 & D \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A^\star & 0 \end{bmatrix} \]

Hence

\[ \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & B \\ 0 & D \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & 0 \\ 0 & D \end{bmatrix} \]

Therefore

\[ \begin{align*} \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & 0 \\ 0 & D \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & B \\ 0 & D \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A & B \\ C & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} M \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} \end{align*} \]

Therefore

\[ \begin{align*} M &= \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & 0 \\ 0 & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix}^{-1} \\ &= \begin{bmatrix} I_p & BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & 0 \\ 0 & D \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} \end{align*} \]

Notice that block matrices have inverse defined by TODO

Therefore

\[ \begin{align*} M^{-1} &= \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A-BD^{-1}C & 0 \\ 0 & D \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} (A-BD^{-1}C)^{-1} & 0 \\ 0 & D^{-1} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_p & -BD^{-1} \\ 0 & I_q \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} I_p & 0 \\ -D^{-1}C & I_q \end{bmatrix} \begin{bmatrix} (A-BD^{-1}C)^{-1} & (A-BD^{-1}C)^{-1} (-BD^{-1}) \\ 0 & D^{-1} \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} (A-BD^{-1}C)^{-1} & (A-BD^{-1}C)^{-1} (-BD^{-1}) \\ -D^{-1}C (A-BD^{-1}C)^{-1} & D^{-1}C (A-BD^{-1}C)^{-1} BD^{-1} + D^{-1} \end{bmatrix} \end{align*} \]

Schur Complement of D

\[ S_D = M / D = A - BD^{-1}C \]

M inverse via Schur Complement of D

\[ M^{-1} = \begin{bmatrix} S_D^{-1} & -S_D^{-1}BD^{-1} \\ -D^{-1} C S_D^{-1} & D^{-1} C S_D^{-1} B D^{-1} + D^{-1} \end{bmatrix} \]