广义严格α-链对角占优矩阵的细分迭代新判据
A New Criterion for Subdivision Iteration of Generalized Strictly α-Chain Diagonally Dominant Matrices
DOI: 10.12677/AAM.2022.117486, PDF, HTML, XML, 下载: 150  浏览: 258  科研立项经费支持
作者: 谢智慧, 庹 清*, 董 杰:吉首大学数学与统计学院,湖南 吉首
关键词: 广义严格α-链对角占优矩阵不可约非零元素链Generalized Strictly α-Chain Diagonally Dominant Matrices Irreducible Nonzero Elements Chain
摘要: 广义严格对角占优矩阵在经济价值模型矩阵和反网络分析的系数矩阵以及最优化的线性互补等诸多领域中有着广泛的实际应用。本文依据α-链对角占优矩阵与广义严格对角占优矩阵的关系,通过不等式放缩技巧以及对矩阵行、列指标集进行细分,引入新的迭代因子,给出了一组判定广义严格α-链对角占优矩阵的细分迭代新判据。该判定条件推广和改进了已有的结果,并用数值算例说明了改进后的有效性。
Abstract: Generalized strictly diagonally dominant matrices are widely used in many fields such as economic value model matrix, inverse network analysis coefficient matrix and optimization of linear comple-mentarity. According to the relationship between α-chain diagonally dominant matrix and general-ized strictly diagonally dominant matrix, this paper presents a set of new criteria for subdivision it-eration of generalized strictly α-chain diagonally dominant matrix by means of inequality scaling and subdivision of matrix index set of row and column, and introduces new iteration factors. The results are generalized and improved by this criterion, and the effectiveness of the improved re-sults is illustrated by numerical examples.
文章引用:谢智慧, 庹清, 董杰. 广义严格α-链对角占优矩阵的细分迭代新判据[J]. 应用数学进展, 2022, 11(7): 4603-4605. https://doi.org/10.12677/AAM.2022.117486

1. 引言

广义严格对角占优矩阵(也称非奇异H-矩阵)是一类活跃在计算数学和矩阵理论中的特殊矩阵,不仅在学术上还是在实际应用中都占据着重要地位。如何高效判定一个矩阵是否为广义严格对角占优矩阵,一直是国内外许多数学工作者关注的热点话题之一。近年来国内外许多数学工作者相继提出了一些判定方法卓有成效 [1] - [14],文献 [1] 根据广义严格α-链对角占优矩阵的性质,以及引入迭代因子,给出判定广义严格α-链对角占优矩阵的迭代判定条件。文献 [4] 通过对矩阵的行、列指标集作划分,根据矩阵自身元素、行和及列和,构造相应的正对角矩阵,得到一组广义严格对角占优矩阵的新的判定准则。在文献 [5] [6] 中,均利用矩阵指标集N的自由的k-级划分给出广义严格对角占优矩阵的判定条件。本文针对文献 [1] 的主要结果,根据α-链对角占优矩阵与广义严格对角占优矩阵的关系,利用矩阵指标集m-级细分的思想,结合不等式放缩技巧,对迭代因子进一步压缩,得到一组更小的正对角因子,给出了判定广义严格α-链对角占优矩阵的细分迭代新判据,推广和改进了已有的结果,并用数值算例验证说明了这一点。

本文采用如下记号和定义:

C n × n ( R n × n ) 表示n阶复(实)矩阵的集合,设 A = ( a i j ) C n × n N = ( 1 , 2 , , n ) α ( 0 , 1 ] ,记

R i = R i ( A ) = j i | a i j | , C i = C i ( A ) = j i | a j i | , i , j N , Z + = { 1 , 2 , } , Z = { 0 , 1 , 2 , } .

N 1 = { i N : 0 < | a i i | < R i α C i 1 α } , N 2 = { i N : | a i i | = R i α C i 1 α } , N 3 = { i N : | a i i | > R i α C i 1 α } , N 1 = { i N : 0 < | a i i | R i α C i 1 α } , N = N 1 N 2 N 3 .

N 1 进一步划分为

N 1 = N 1 ( 1 ) N 1 ( 2 ) N 1 ( m ) ,

其中m是任意正整数,且

N 1 ( 1 ) = { i N : 0 < | a i i | < 1 m R i α C i 1 α } ,

N 1 ( k ) = { i N : k 1 m R i α C i 1 α | a i i | < k m R i α C i 1 α } , k = 2 , 3 , , m .

这里的 N 1 ( k ) 可能为空集。

定义1 [2] 设 A = ( a i j ) C n × n ,如果 | a i i | > R i ( i N ) ,则称A为严格对角占优矩阵,记作 A D 。若存在正对角矩阵X,使得 A X D ,则称A为广义严格对角占优矩阵,记作 A D *

定义2 [2] 设 A = ( a i j ) C n × n α ( 0 , 1 ] ,如果 | a i i | > R i α C i 1 α ( i N ) ,则称A为α-链对角占优矩阵,记作 A D α 。若存在正对角矩阵X,使得 A X D α ,则称A为广义严格α-链对角占优矩阵,记作 A D ˜ α

定义3 [2] 设 A = ( a i j ) C n × n α ( 0 , 1 ] ,如果 | a i i | R i α C i 1 α ( i N ) ,且上式中至少有一个严格不等式成立。若A不可约,则称A为不可约α-链对角占优矩阵。若对每一个以等式成立的下标i,存在非零元素链 a i j 1 a j 1 j 2 a i k 1 j k ,使得 k { i N : | a i i | > R i α C i 1 α } ϕ ,则称A为具有非零元素链的α-链对角占优矩阵。

引理1 [2] 设 A = ( a i j ) C n × n ,若 A D ˜ α ,则称A广义严格对角占优矩阵。

引理2 [3] 设 A = ( a i j ) C n × n ,若A为不可约α-链对角占优矩阵,则 A D *

引理3 [3] 设 A = ( a i j ) C n × n ,若A为具有非零元素链的α-链对角占优矩阵,则 A D *

N 3 ( A ) = ϕ 或存在 i 0 N 使得对角元 a i 0 i 0 = 0 ,则 A D ˜ α 。当某个 R i = 0 C i = 0 时,判别A是否为非奇异H-矩阵可转化为对A的主子矩阵的判别。因此,本文总假设 | a i i | 0 R i 0 C i 0 ( i N )

规定 t ϕ = 0

文献 [1] 给出如下主要结果:

定理1 设 A = ( a i j ) C n × n ,若存在 α ( 0 , 1 ] ,使得

ω 1 = i N 1 ( t N 1 , t i | a i t | x ˜ t + g l t N 3 | a i t | ( δ l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x ˜ i ) 1 α α | a i i | 1 α x ˜ i 1 α + ( t N 1 , t i | a i t | x ˜ t ) C i 1 α α ( x ˜ i ) 1 α α < 1,

其中

x ˜ i = | a i i | R i α C i 1 α ( i N 1 ) , r ˜ 0 = 1 , δ l + 1 , i = ( t N 1 | a i t | x ˜ t + r ˜ l t N 3 , t i | a i t | ) C i 1 α α | a i i | 1 α ( i N 3 ) ,

r ˜ l + 1 = max i N 3 δ l + 1 , i , g l = max i N 3 ( max i N 1 | a i t | x ˜ t ) C i 1 α α | a i i | 1 α δ l + 1 , i ( t N 3 , t i | a i t | δ l + 1 , t ) C i 1 α α ( l Z ) ,

这里 ε 是充分小的正数,则 A D *

2. 主要结果

进一步引进下面记号:

对于 i N 1 ,记

β i = t N 1 , t i | a i t | + t N 2 | a i t | , γ i = t N 3 | a i t | ,

x i = { | a i i | β i α C i 1 α γ i α C i 1 α , | a i i | > β i α C i 1 α , | a i i | γ i α C i 1 α β i α C i 1 α , | a i i | > γ i α C i 1 α , | a i i | R i α C i 1 α , | a i i | min { β i α C i 1 α , γ i α C i 1 α } ,

x 1 i ( k ) = k m min ( x i ) i N 1 ( k ) k = 1 , 2 , , m

x 3 i = R i C i 1 α α | a i i | 1 α , i N 3 ,

x 2 i = max i N 2 ( ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 3 | a i t | x 3 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α ( t N 2 , t i | a i t | ) C i 1 α α ) , r 0 = 1 ,

r l + 1 = max i N 3 ( ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r l t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α x 3 i ) , i N 3 , l Z ,

M l + 1 , i = ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r l t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α x 3 i , i N 3 , l Z ,

f l + 1 , i = ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + t N 3 , t i | a i t | M l + 1 , i x 3 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α , i N 3 , l Z ,

h l = max i N 3 ( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) + t N 2 | a i t | x 2 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α f l + 1 , i ( t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α , i N 3 , l Z .

2.1. 定理2

A = ( a i j ) C n × n α ( 0 , 1 ] ,若存在 l Z ,使得

τ = i N 1 ( k ) ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α + ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α < 1 , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m . (1)

且对于 i N 2 ,存在 t N 1 N 3 ,使得 | a i t | 0 ,这里 ε 是充分小的正数,则 A D *

证明

对于 i N 1 ( k ) ( k = 1 , 2 , , m ) ,有 0 < x 1 i ( k ) < 1 。对于 i N 3 ,有 0 < x 3 i < 1 。则根据 x 2 i 表达式可知 0 < x 2 i < 1

对于 i N 3 ,由于 r 0 = 1 x 3 i = R i C i 1 α α | a i i | 1 α

| a i i | 1 α x 3 i = R i C i 1 α α ,

( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r 0 t N 3 , t j | a i t | x 3 t ) C i 1 α α < R i C i 1 α α ,

可得

( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r 0 t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α x 3 i < 1 ,

M 1 , i , r 1 的定义,可知 0 < M 1 , i r 1 < r 0 = 1 ,根据 r 2 的定义,有

( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r 1 t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α < ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r 0 t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α

根据 M 2 , i r 2 的定义,有

M 2 , i r 2 r 1 < r 0 = 1

假设当 l = s 时,有 M s + 1 , i r s + 1 r s < 1 成立,则可知

( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r s + 1 t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α < ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + r s t N 3 , t i | a i t | x 3 t ) C i 1 α α

根据 M s + 2 , i , r s + 2 的定义有 M s + 2 , i r s + 2 r s + 1 < 1 成立,故由数学归纳法可知

M l + 1 , i r l + 1 r l r 1 < r 0 = 1 , i N 3 , l Z .

对于 i N 3 ,有 0 < x 3 i < 1 ,则

M l + 1 , i x 3 i r l + 1 x 3 i < 1 , i N 3 , l Z ,

x 3 i , i , f l + 1 , i 的定义知

f l + 1 , i M l + 1 , i x 3 i r l + 1 x 3 i < 1 , i N 3 , l Z . (2)

h l f l + 1 , i 的表达式,以及上式可知

0 < h l max i N 3 ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t ) C i 1 α α | a i i | 1 α f l + 1 , i ( t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α = max i N 3 ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t ) C i 1 α α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + t N 3 , t i | a i t | ( M l + 1 , t x 3 i f l + 1 , t ) ) C i 1 α α 1,

由定理假设知 0 < τ < 1 ,记

d i = ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α + ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α + 1 τ n 1 , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m , (3)

其中 n 1 N 1 ( k ) ( k = 1 , 2 , , m ) 中所含元素的个数,则 t N 1 ( k ) d i = 1 ,从而 0 < d i 1 ( i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m ) 。由(3)式易知

| a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α d i > ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α d i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α , (4)

构造正对角矩阵 X = d i a g ( x 1 , x 2 , , x n ) ,并记 B = A X = ( b i j ) ,其中

x i = { d i x 1 i ( k ) , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m , x 2 i , i N 2 , h l ( f l + 1 , i + ε ) , i N 3 .

1) 对任意的 i N 1 ( k ) ( k = 1 , 2 , , m ) ,由(4)式可得

| b i i | 1 α R i ( B ) C i 1 α α ( B ) = | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) d i ) 1 α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) d i ) 1 α α = ( | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α d i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α ) d i 1 α α > 0.

2) 对任意的 i N 2 ,由 x 2 i 的定义可知

| a i i | 1 α x 2 i > ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 , t i | a i t | x 2 t + t N 3 | a i t | x 3 t ) C i 1 α α ,

从而

| b i i | 1 α R i ( B ) C i 1 α α ( B ) = | a i i | 1 α x 2 i 1 α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 , t i | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α x 2 i 1 α α = ( | a i i | 1 α x 2 i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 , t i | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ) x 2 i 1 α α > 0.

3) 对任意的 i N 3 ,由 h l 的表达式可得

( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α | a i i | 1 α h l f l + 1 , i ,

从而

( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) t N 1 ( k ) d t + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α = ( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α | a i i | 1 α h l f l + 1 , i ,

故对任意的 ε > 0 ,有

h l ε > ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α | a i i | 1 α h l f l + 1 , i | a i i | 1 α t N 3 , t i | a i t | C i 1 α α ,

于是

| b i i | 1 α R i ( B ) C i 1 α α ( B ) = | a i i | 1 α h l 1 α ( f l + 1 , i + ε ) 1 α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α h l 1 α α ( f l + 1 , i + ε ) 1 α α = ( | a i i | 1 α h l ( f l + 1 , i + ε ) ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | ( f l + 1 , t + ε ) ) C i 1 α α ) h l 1 α α ( f l + 1 , i + ε ) 1 α α = ( ε ( | a i i | 1 α h l h l t N 3 , t i | a i t | C i 1 α α ) + | a i i | 1 α h l f l + 1 , i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ) h l 1 α α ( f l + 1 , i + ε ) 1 α α > 0.

综上所诉,我们有 | b i i | > R i α ( B ) C i 1 α ( B ) ( i N ) ,所以则 A D * ,证毕。

注 本文定理2推广了文献 [1] 中定理1的条件。通过将N划分三个区间,并将其中非占优指标集进一步细分为 N 1 = N 1 ( 1 ) N 1 ( 2 ) N 1 ( m ) ,并结合迭代得到广义严格对角占优矩阵的新判据。事实上,

0 < x 1 i ( k ) = k m min ( x i ) x ˜ i < 1 ( i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m ) 0 < x 2 i < 1 ( i N 2 ) ,则本文定理2在迭代判定时相比文献 [1] 中的定理1的判定范围更广,后面的数值算例可以详细说明。

2.2. 定理3

A = ( a i j ) C n × n 且不可约, α ( 0 , 1 ] ,若存在 l Z ,使得

τ = i N 1 ( k ) ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α + ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α 1 , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m . (5)

且上式不等式中至少有一个严格不等式成立,则 A D *

证明

A = ( a i j ) C n × n 且不可约知,对于 i N 1 ( k ) ( k = 1 , 2 , , m ) ,有 0 < x 1 i ( k ) < 1 。对于 i N 3 ,有 0 < x 3 i < 1 。则根据 x 2 i 表达式可知 0 < x 2 i < 1 。对于 i N 3 ,有 0 < h l 1 0 < h l f l + 1 , i < 1

由定理假设知 0 < τ 1 ,记

d i = ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α + ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α + 1 τ n 1 , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m , (6)

其中 n 1 N 1 ( k ) ( k = 1 , 2 , , m ) 中所含元素的个数,则 t N 1 ( k ) d i = 1 ,从而 0 < d i 1 ( i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m ) 。由(6)式易知

| a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α d i > ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α d i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α , (7)

对任意的 i N 2 ,由 x 2 i 的定义及(2)式可知

| a i i | 1 α x 2 i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 , t i | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α 0 , (8)

构造正对角矩阵 X = d i a g ( x 1 , x 2 , , x n ) ,并记 B = A X = ( b i j ) ,其中

x i = { d i x 1 i ( k ) , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m , x 2 i , i N 2 , h l f l + 1 , i , i N 3 .

1) 对任意的 i N 1 ( k ) ( k = 1 , 2 , , m ) ,由(7)式可得

| b i i | 1 α R i ( B ) C i 1 α α ( B ) = | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) d i ) 1 α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) d i ) 1 α α = ( | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α d i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α ) d i 1 α α 0.

2) 对任意的 i N 2 ,由(8)式可得

| b i i | 1 α R i ( B ) C i 1 α α ( B ) = | a i i | 1 α x 2 i 1 α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 , t i | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α x 2 i 1 α α = ( | a i i | 1 α x 2 i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 , t i | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ) x 2 i 1 α α 0.

3) 对任意的 i N 3 ,由 h l 的表达式可得

( k = 1 m ( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α | a i i | 1 α h l f l + 1 , i ,

从而

( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( k = 1 m ( ( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) t N 1 ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α = ( k = 1 m ( max t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α | a i i | 1 α h l f l + 1 , i ,

于是

| b i i | 1 α R i ( B ) C i 1 α α ( B ) = | a i i | 1 α h l 1 α f l + 1 , i 1 α ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α h l 1 α α f l + 1 , i 1 α α = ( | a i i | 1 α h l f l + 1 , i ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) | a i t | x 1 t ( k ) d t ) + t N 2 | a i t | x 2 i + h l t N 3 , t i | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ) h l 1 α α f l + 1 , i 1 α α 0.

综上所诉,我们有 | b i i | R i α ( B ) C i 1 α ( B ) ( i N ) ,且由假设知至少有一个严格不等式成立。由矩阵A不可约知矩阵B不可约,则为不可约α-链对角占优矩阵。由引理2知 A D * ,证毕。

2.3. 定理4

A = ( a i j ) C n × n α ( 0 , 1 ] ,若存在 l Z ,使得

τ = i N 1 ( k ) ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a i t | x 2 t + h l t N 3 | a i t | f l + 1 , t ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α | a i i | 1 α ( x 1 i ( k ) ) 1 α + ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t i | a i t | x 1 t ( k ) ) ) C i 1 α α ( x 1 i ( k ) ) 1 α α 1 , i N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m . (9)

且对上式不等式成立的i,都存在非零元素链 a i j 1 a j 1 j 2 a j r j 满足

τ = j N 1 ( k ) ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t j | a j t | x 1 t ( k ) ) + t N 2 | a j t | x 2 t + h l t N 3 | a j t | f l + 1 , t ) C j 1 α α ( x 1 j ( k ) ) 1 α α | a j j | 1 α ( x 1 j ( k ) ) 1 α + ( k = 1 m ( t N 1 ( k ) , t j | a j t | x 1 t ( ( k ) ) ) ) C j 1 α α ( x 1 j ( k ) ) 1 α α 1 , j N 1 ( k ) , k = 1 , 2 , , m .

A D *

3. 数值算例

例1 设矩阵

A = ( 5 2 1 1 2 3 1 6.5 1 2 3 2 1 1 5.3 2 2 4 1 1 1 8 2 3 0 0 0 2 20 2 0 1 0 1 2 23 ) ,

在判定矩阵A是否为广义严格对角占优矩阵时,利用文献 [1] 中的记号,取 α = 0.5 ε = 0.0001 时,有 N 1 = { 1 , 2 , 3 , 4 } N 2 = { 5 , 6 } ,则当 k = 2 时,有 ω 1 = 1.3144 > 1 ,故无法用文献 [1] 中的定理1来判定。利用文献 [4] 的记号有 N 11 = ϕ ,所以不能用文献 [4] 定理1判定。同理利用文 [5] [6] 中记号,均可验证不满足文 [5] [6] 的判定条件。

由于

i = 1 6 max j i | a i j | | a i i | + max j i | a i j | = 1.5645 > 1 ,

故矩阵A不满足文献 [7] 中定理1的条件,所以不能用文献 [7] 来判定。使用文献 [8] 中记号,有

σ 1 = i = 1 6 R i + C i 2 | a i i | + R i + C i = 2.6688 > 1 ,

σ = i = 1 6 max j i ( | a i j | + | a j i | ) 2 | a i i | + max j i ( | a i j | + | a j i | ) = 1.0623 > 1.

可知不满足文献 [8] 中定理3和定理4的条件,所以不能用文献 [8] 定理3或4来判定。同理,使用文献 [9] 的记号,通过计算可知无论如何选取 N 1 N 2 ,矩阵A都不满足文献 [9] 定理2的条件,故无法用文献 [9] 的定理2来判定矩阵A是否为广义严格对角占优矩阵。

α = 0.5 m = 1 ,则 N 1 = N 1 ( 1 ) = { 1 , 2 , 3 } N 2 = { 4 } N 3 = { 5 , 6 } ,令 ε = 0.0001 l = 0 时,有

x 11 ( 1 ) = 0.3464 , x 12 ( 1 ) = 0.3354 , x 13 ( 1 ) = 0.3052 , x 24 = 0.1906 , f 1 , 5 = 0.0114 , f 1 , 6 = 0.0148 , h 0 = 0.9903 ,

计算得 τ = 0.8300 < 1 。故本文定理1可判定矩阵A为广义严格对角占优矩阵。事实上,取正对角矩阵 X = d i a g { 0.1106 , 0.0629 , 0.0987 , 0.1906 , 0.0114 , 0.0148 } ,有 A X D * ,则矩阵A为广义严格对角占优矩阵。

例2 设矩阵

B = ( 8.9 3 0 2 3 6 6 1 11.6 2 3 1 5 3 1 1 5 2 1 0 0 1 2 1 8.9 1 3 2 0 1 1 0 30 5 6 1 1 0 1 2 32 3 0 1 1 0 3 2 35 ) ,

在判定矩阵B是否为广义严格对角占优矩阵时,在文献 [1] 中,取 α = 0.5 ε = 0.0001 时,有 N 1 = { 1 , 2 , 3 , 4 } N 2 = { 5 , 6 , 7 } ,则当 k = 2 时,有 ω 1 = 1.1848 > 1 ,故无法用文献 [1] 中的定理1来判定。同理利用文 [4] [5] [6] 中记号,均可验证不满足文 [4] [5] [6] 的判定条件。

使用文献 [10] 中的记号有:

N 1 = { i N : 0 < | a i i | R i } , N 2 = { i N : | a i i | > R i } , N + = { i N 2 : | a i i | C i } ,

则对该矩阵有 N 1 = { 1 , 2 , 3 , 4 } N 2 = { 5 , 6 , 7 } N + = ϕ ,不满足文献 [10] 中定理1的条件。又对任意 α ( 0 , 1 ) ,有

[ | a 15 | + | a 16 | + | a 17 | + | a 12 | ] α C 1 1 α | a 11 | C 1 1 α + [ | a 25 | + | a 26 | + | a 27 | + | a 24 | ] α C 2 1 α | a 22 | C 2 1 α + [ | a 35 | + | a 36 | + | a 37 | + | a 34 | ] α C 3 1 α | a 33 | C 3 1 α + [ | a 45 | + | a 46 | + | a 47 | + | a 42 | ] α C 4 1 α | a 44 | C 4 1 α > 1.

可见也不满足文献 [10] 中定理2的条件,所以不能用文献 [10] 来判定。

而在本文定理1的条件上,取 α = 0.5 m = 2 ,则 N 1 = N 1 ( 1 ) N 1 ( 2 ) N 1 ( 1 ) = ϕ N 1 ( 2 ) = { 1 , 2 , 4 } N 2 = { 3 } N 3 = { 5 , 6 , 7 } ,令 ε = 0.0001 l = 1 时,有

x 11 ( 2 ) = 0.2580 , x 12 ( 2 ) = 0.3538 , x 14 ( 2 ) = 0.3486 , x 23 = 0.2936 , f 2 , 5 = 0.0103 , f 2 , 6 = 0.0210 , f 2 , 7 = 0.0119 , h 1 = 0.9869 ,

计算得 τ = 0.9049 < 1 。故本文定理1可判定矩阵B为广义严格对角占优矩阵。事实上,取正对角矩阵 X = d i a g { 0.0738 , 0.1105 , 0.2936 , 0.1070 , 0.0103 , 0.0208 , 0.0118 } ,有 B X D * ,则矩阵B为广义严格对角占优矩阵。

4. 结论

通过数值算例表明,在细分区间的基础下,本文的迭代判定条件比文献 [1] 定理1判定条件更好,且相比文献 [4] - [9] 的判定范围更广。因此,本文给出的广义严格α-链对角占优矩阵的细分迭代新判据,不仅拓宽了广义严格对角占优矩阵的判定范围,而且判定更有效率。

致谢

感谢庹清老师对本项目的悉心指导和帮助。

基金项目

吉首大学校级自筹科研基金项目(JGY2022076)和湖南省科研创新项目(21C0365)。

参考文献

NOTES

*通讯作者。

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