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:
用
表示n阶复(实)矩阵的集合,设
,
,
,记
将
进一步划分为
其中m是任意正整数,且
这里的
可能为空集。
定义1 [2] 设
,如果
,则称A为严格对角占优矩阵,记作
。若存在正对角矩阵X,使得
,则称A为广义严格对角占优矩阵,记作
。
定义2 [2] 设
,
,如果
,则称A为α-链对角占优矩阵,记作
。若存在正对角矩阵X,使得
,则称A为广义严格α-链对角占优矩阵,记作
。
定义3 [2] 设
,
,如果
,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
,使得
,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
,若
,则称A广义严格对角占优矩阵。
引理2 [3] 设
,若A为不可约α-链对角占优矩阵,则
。
引理3 [3] 设
,若A为具有非零元素链的α-链对角占优矩阵,则
。
若
或存在
使得对角元
,则
。当某个
或
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
,
,
且
规定
。
文献 [1] 给出如下主要结果:
定理1 设
,若存在
,使得
其中
这里
是充分小的正数,则
。
2. 主要结果
进一步引进下面记号:
对于
,记
令
,
,
2.1. 定理2
设
,
,若存在
,使得
(1)
且对于
,存在
,使得
,这里
是充分小的正数,则
。
证明
对于
,有
。对于
,有
。则根据
表达式可知
。
对于
,由于
,
有
可得
由
的定义,可知
,根据
的定义,有
根据
,
的定义,有
假设当
时,有
成立,则可知
根据
的定义有
成立,故由数学归纳法可知
对于
,有
,则
由
的定义知
(2)
由
和
的表达式,以及上式可知
由定理假设知
,记
(3)
其中
是
中所含元素的个数,则
,从而
。由(3)式易知
(4)
构造正对角矩阵
,并记
,其中
1) 对任意的
,由(4)式可得
2) 对任意的
,由
的定义可知
从而
3) 对任意的
,由
的表达式可得
从而
故对任意的
,有
于是
综上所诉,我们有
,所以则
,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
,并结合迭代得到广义严格对角占优矩阵的新判据。事实上,
,
,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
设
且不可约,
,若存在
,使得
(5)
且上式不等式中至少有一个严格不等式成立,则
。
证明
由
且不可约知,对于
,有
。对于
,有
。则根据
表达式可知
。对于
,有
,
。
由定理假设知
,记
(6)
其中
是
中所含元素的个数,则
,从而
。由(6)式易知
(7)
对任意的
,由
的定义及(2)式可知
(8)
构造正对角矩阵
,并记
,其中
1) 对任意的
,由(7)式可得
2) 对任意的
,由(8)式可得
3) 对任意的
,由
的表达式可得
从而
于是
综上所诉,我们有
,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
,证毕。
2.3. 定理4
设
,
,若存在
,使得
(9)
且对上式不等式成立的i,都存在非零元素链
满足
则
。
3. 数值算例
例1 设矩阵
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
,
时,有
,
,则当
时,有
,故无法用文献 [1] 中的定理1来判定。利用文献 [4] 的记号有
,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
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
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
和
,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。
取
,
,则
,
,
,令
,
时,有
计算得
。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
,有
,则矩阵A为广义严格对角占优矩阵。
例2 设矩阵
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
,
时,有
,
,则当
时,有
,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:
则对该矩阵有
,
,
,不满足文献 [10] 中定理1的条件。又对任意
,有
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
,
,则
,
,
,
,
,令
,
时,有
计算得
。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
,有
,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。