一类非奇异H-矩阵的细分迭代判别算法
Subdivision Iterative Discriminant Algorithm for a Class of Nonsingular H-Matrix
DOI: 10.12677/AAM.2022.118531, PDF, HTML, XML, 下载: 209  浏览: 310  国家自然科学基金支持
作者: 董 杰, 庹 清*, 谢智慧:吉首大学数学与统计学院,湖南 吉首
关键词: 非奇异H-矩阵细分迭代判别算法收敛性Nonsingular H-Matrix Subdivision Iterative Discriminant Algorithm Convergence
摘要: 非奇异H-矩阵是一类应用广泛的特殊矩阵,在许多领域都发挥着重要作用。本文就非奇异H-矩阵的判定问题,利用细分区间和迭代系数构造正对角矩阵因子,得到了一类非奇异H-矩阵的细分迭代判别新条件。在此基础上,又相应给出了一组含参数 的判定非奇异H-矩阵的细分迭代算法,并证明了其收敛性,推广与改进了近期的一些结果。最后,用数值算例说明了该算法的优越性。
Abstract: Nonsingular H-matrices are a kind of special matrices which are widely used in many fields. In this paper, we consider the problem of determining nonsingular H-matrices, construct a positive diago-nal matrix factor by using the subdivision interval and iterative coefficient, and obtain a new condi-tion for determining the subdivision iteration of a class of nonsingular H-matrices. On this basis, a set of subdivision iterative algorithms for determining nonsingular H-matrices with parameters are given, and their convergence is proved. Some recent results are extended and improved. Finally, numerical examples are used to illustrate the superiority of the algorithm.
文章引用:董杰, 庹清, 谢智慧. 一类非奇异H-矩阵的细分迭代判别算法[J]. 应用数学进展, 2022, 11(8): 5062-5073. https://doi.org/10.12677/AAM.2022.118531

1. 引言

矩阵理论是研究者用来解决实际问题的一种重要工具,而非奇异H-矩阵作为重要的一类特殊矩阵,经过众多学者对其的深入研究(见文献 [1] - [11]),非奇异H-矩阵的判定条件已取得了一系列重要成果,但对于高阶矩阵的判定还存在困难。而随着计算机的普及,关于非奇异H-矩阵不少的判定算法也逐渐被提出,这在一定程度上提高了非奇异H-矩阵的判定效率。其中,文献 [1] 根据文献 [3] 的迭代判定条件给出了相应的含参数 ε 的迭代算法,且在此基础上,进一步减小迭代因子序列后,又得到了另一组迭代次数和迭代时间更少的判定算法。文献 [2] 通过对方阵行下标集和行不同的递进式划分,得到了一组无参数的迭代判定算法。而本文利用文献 [2] 的思路,并通过进一步细分区间和构造新的迭代因子序列的方式,得到比文献 [1] [2] 更小的正对角矩阵因子,进而给出一组迭代次数更少,迭代效率更高的细分迭代判定新条件以及迭代判定新算法,推广和改进了已有的一些相关结论。

C n × n 表示 n × n 阶复矩阵集合,设 A = ( a i j ) C n × n N = { 1 , 2 , , n } Z = { 0 , 1 , 2 , } Z + = { 1 , 2 , } 。记

Λ i = Λ i ( A ) = j i | a i j | , i , j N ,

N ˜ 1 = { i N : 0 < | a i i | Λ i ( A ) } , N ˜ 2 = { i N : | a i i | > Λ i ( A ) } ,

α i = α i ( A ) = t N ˜ 1 , t i | a i t | , β i = β i ( A ) = t N ˜ 2 , t i | a i t | , i N .

定义1 [3] 设 A = ( a i j ) C n × n ,如果 | a i i | > Λ i ( A ) , 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,也称为非奇异H-矩阵,记作 A D *

引理1 [2] 设 A = ( a i j ) C n × n ,如果存在 N ˜ 1 , N ˜ 2 使得 N ˜ 1 N ˜ 2 = N , N ˜ 1 N ˜ 2 = ϕ

( | a i i | α i ( A ) ) ( | a j j | β j ( A ) ) > β i ( A ) α j ( A ) , i N ˜ 1 , j N ˜ 2 ,

则A为非奇异H-矩阵。

在本文中假设 | a i i | 0 , Λ i ( A ) 0 , i N ,规定 t ϕ = 0 ,并记

N 1 = { i N : 0 < | a i i | < Λ i ( A ) } , N 2 = { i N : | a i i | = Λ i ( A ) } , N 3 = { i N : | a i i | > Λ i ( A ) } ,

N = N 1 + N 2 + N 3 ,由 N 1 = N 1 ( 1 ) N 1 ( 2 ) N 1 ( m ) ,其中

N 1 ( 1 ) = { i N : 0 < | a i i | < 1 m Λ i ( A ) } ,

N 1 k = { i N : k 1 m Λ i ( A ) | a i i | < k m Λ i ( A ) } , k = 2 , 3 , , m ,

其中, N 1 ( k ) 可能为空集。

引理2 [5] 设 A = ( a i j ) C n × n ,如果 A D * ,则 N 3 ϕ | a i i | 0 ( i N )

引理3 [5] 设 A = ( a i j ) C n × n ,如果 A D * ,则 | a i i | > 0 ( i N ) N 1 = ϕ

N 1 N 2 为空集,则A为非奇异H-矩阵。若 N 3 为空集,则A不是非奇异H-矩阵。因此,本文总假设 N 1 N 2 不为空集, N 3 也不为空集。

张万智等在2016年提出一组非奇异H-矩阵的迭代判别算法:

算法1.1 [1] 给定矩阵 A = ( a i j ) C n × n

1) 如果存在 i 0 N 使得 | a i 0 i 0 | = 0 ,则 A D * ,停止;否则

2) 令 y ˜ = 1 , A ( 0 ) = A , X 1 ( 0 ) = I

3) 计算 A ( y ˜ ) = ( a i t ( y ˜ ) ) = A ( y ˜ 1 ) X 1 ( y ˜ 1 )

4) 如果 N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) = ϕ ,则 A D * ,停止;如果 N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) = N ,则 A D * ,停止;否则

5) 计算

λ 0 ( y ˜ ) = 1 , ψ i ( y ˜ ) = t N ˜ 1 ( A ( y ˜ ) ) | a i t ( y ˜ ) | | a i i ( y ˜ ) | t N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) , t i | a i t ( y ˜ ) | , λ 1 ( y ˜ ) = max i N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) t N ˜ 1 ( A ( y ˜ ) ) | a i t ( y ˜ ) | | a i i ( y ˜ ) | t N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) , t i | a i t ( y ˜ ) | ,

λ l + 1 ( y ˜ ) = max i N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) δ l + 1 ( y ˜ ) ( l Z + ) ,

δ l + 1 , i ( y ˜ ) = t N ˜ 1 ( A ( y ˜ ) ) | a i t ( y ˜ ) | + λ l ( y ˜ ) t N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) , t i | a i t ( y ˜ ) | | a i i ( y ˜ ) | ( i N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) , l Z ) ;

6) 取定非负整数l和实数 s 1 。令 X 1 ( y ˜ ) = d i a g ( x 1 ( y ˜ ) , x 2 ( y ˜ ) , , x n ( y ˜ ) ) ,其中

x i ( y ˜ ) = { 1 ( i N ˜ 1 ( A ( y ˜ ) ) ) , δ l + 1 , i ( y ˜ ) + ε 0 ( y ˜ ) ( i N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) ) ,

这里当 ψ i ( y ˜ ) > δ l + 1 , i ( y ˜ ) ( i N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) ) ε 0 ( y ˜ ) = 1 s min i N ˜ 2 ( A ( y ˜ ) ) ( ψ i ( y ˜ ) δ l + 1 , i ( y ˜ ) ) ,其余情形 ε 0 ( y ˜ ) = σ 1 σ 1 是充分小的正实数;

7) 取 y ˜ = y ˜ + 1 转3。

2. 主要结果

为了叙述方便,进一步引入以下记号:

x 1 i , k = | a i i | k 1 m + 1 Λ i ( A ) Λ i ( A ) ( i N 1 k , k = 1 , 2 , , m ) ,

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 | + t N 3 | a i t | | a i i | ( i N 2 ) ,

r 0 = 1 , r 1 = max i N 3 { t N 1 | a i t | + t N 2 | a i t | | a i i | t N 3 , t i | a i t | } ,

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 | | a i i | } ( l Z + ) ,

P l + 1 , i ( A ) = 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 | ( i N 3 , l Z ) ,

W l + 1 , i ( A ) = 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 P l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ( i N 3 , l Z ) ,

h l + 1 , i ( A ) = k = 1 m ( t N 1 k | a i t | x 1 t , k ) + t N 2 | a i t | x 2 t W l + 1 , i ( A ) t N 3 , t i W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ( i N 3 , l Z ) .

定理1设 A = ( a i j ) C n × n ,若存在 l Z ,有

( W l + 1 , j ( A ) t N 3 , t j W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a j t | ) ( | a i i | x 1 i , 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 ) > ( k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t ) ( t N 3 W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ) , i N 1 k , k = 1 , 2 , , m , j N 3 . (1)

且当 i N 2 时, t N 1 | a i t | t N 3 | a i t | 不能同时为0,则A是非奇异H-矩阵。

证明 由 r 1 的表达式和(1)式可得,对任意的 i N 3 , t N 1 | a i t | t N 2 | a i t | 不能同时为0。因为,如果 t N 1 | a i t | + t N 2 | a i t | = 0 ,则对任意的 i N 3 ,有 r 1 = 0 ,再由 r l + 1 的定义式可知,对任意的 l Z ,都有 r l + 1 = 0 ,所以也便有 P l + 1 , i ( A ) = 0 , W l + 1 , i ( A ) = 0 ,这样会使不等式(1)的两边同时为0,故产生矛盾。

显然 r 1 < 1 ,又对任意的 i N 1 k , k = 1 , 2 , , m ,有 0 < x 1 i ( k ) < 1 ;对任意的 i N 2 ,有 0 < x 2 i 1 ;则结合数学归纳法可得到

P l + 1 , i ( A ) | a i i | r l + 1 r l r 1 < r 0 = 1 , W l + 1 , i ( A ) | a i i | P l + 1 , i ( A ) | a i i | , i N 3 , l Z . (2)

故对任意的 i N 3

h l + 1 , i ( A ) = k = 1 m ( t N 1 k | a i t | x 1 t , k ) + t N 2 | a i t | x 2 t W l + 1 , i ( A ) t N 3 , t i W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | = W l + 1 , i ( A ) t N 3 , t i P l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | W l + 1 , i ( A ) t N 3 , t i W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | 1.

根据 h l + 1 , j ( A ) 的表达式及(1)式知,对任意的 i N 1 k , k = 1 , 2 , , m , j N 3

| a i i | x 1 i , 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 + 1 , j ( A ) t N 3 W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ,

h l + 1 , j ( A ) 1 ,故而得到

| a i i | x 1 i , 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 + t N 3 W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ,

进一步可取得充分小的 ε > 0 ,使 0 < W l + 1 , i ( A ) | a i i | + ε < 1 ,并满足

| a i t | x 1 i , 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 + t N 3 W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ] > ε t N 3 | a i t | ,

故而有

| a i t | x 1 i , 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 > t N 3 ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a i t | . (3)

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

x i = { x 1 i , k i N 1 k , k = 1 , 2 , , m , x 2 i i N 2 , W l + 1 , i ( A ) | a i i | + ε i N 3 .

再由 h l + 1 , j ( A ) 1 可得到,对任意的 j N 3 , l Z

W l + 1 , j ( A ) t N 3 , t j W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a j t | k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t ,

又对任意的 j N 3 ,有 | a j j | > t N 3 , t j | a j t | ,所以得到

W l + 1 , j ( A ) t N 3 , t j W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a j t | + ( ε | a j j | ε t N 3 , t i | a j t | ) > k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t ,

即有

W l + 1 , j ( A ) + ε | a j j | t N 3 , t j ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a j t | > k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t . (4)

1) 由(3)式和(4)式知,对任意的 i N 1 k , k = 1 , 2 , , m , j N 3 , l Z

( | b j j | β j ( B ) ) ( | b i i | α i ( B ) ) = ( W l + 1 , j ( A ) + ε | a j j | t N 3 , t j ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a j t | ) ( | a i i | x 1 i , k k = 1 m ( t N 1 k , t i | a i i | x 1 t , k ) t N 2 | a i t | x 2 t ) > ( k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t ) ( t N 3 ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a i t | ) = α j ( B ) β i ( B ) .

2) 根据 x 2 i 的表达式可知,对任意的 i N 2

| a i i | 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 | + t N 3 | a i t | > 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 ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a i t | , (5)

由(4)式和(5)式可知,对任意的 i N 2 , j N 3 , l Z

( | b j j | β j ( B ) ) ( | b i i | α i ( B ) ) = ( W l + 1 , j ( A ) + ε | a j j | t N 3 , t j ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a j t | ) ( | a i i | x 2 i k = 1 m ( t N 1 k | a i i | x 1 t , k ) t N 2 , t i | a i t | x 2 t ) > ( k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t ) ( t N 3 ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a i t | ) = α j ( B ) β i ( B ) .

3) 由 W l + 1 , i ( A ) 的表达式及 W l + 1 , i ( A ) P l + 1 , i ( A ) 可知,对任意的 i N 3 , l Z

W l + 1 , i ( A ) 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 W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | ,

又对任意的 i N 3 ,有 | a i i | > t N 3 , t i | a i t | ,所以得到

W l + 1 , i ( A ) + ε | a i 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 W l + 1 , t ( A ) | a t t | | a i t | + ε t N 3 , t i | a i t | ,

故有

( W l + 1 , i ( A ) | a i i | + ε ) | a i 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 ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a i t | , (6)

由(4)式和(6)式可知,对任意的 i N 3 , j N 3 , l Z

( | b j j | β j ( B ) ) ( | b i i | α i ( B ) ) = ( W l + 1 , j ( A ) + ε | a j j | t N 3 , t j ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a j t | ) ( | a i i | ( W l + 1 , i ( A ) | a i i | + ε ) k = 1 m ( t N 1 k | a i i | x 1 t , k ) t N 2 | a i t | x 2 t ) > ( k = 1 m ( t N 1 k | a j t | x 1 t , k ) + t N 2 | a j t | x 2 t ) ( t N 3 , t i ( W l + 1 , t ( A ) | a t t | + ε ) | a i t | ) = α j ( B ) β i ( B ) .

( | b i i | α i ( B ) ) ( | b j j | β j ( B ) ) > β i ( B ) α j ( B ) , i N 1 N 2 , j N 3 ,

( | b i i | α i ( B ) ) ( | b j j | β j ( B ) ) > β i ( B ) α j ( B ) , i N 3 , j N 3 .

综上所述,由引理1知 B = A X 1 D * 。故存在正对角矩阵 X 2 使得 B X 2 = A X 1 X 2 D ,而 X 1 X 2 仍是正对角矩阵,所以 A D * 。证毕。

由上述判定定理条件得到下面新的算法2.1。

算法2.1

输入:矩阵 A = ( a i j ) C n × n ,给定 m , q , σ 2

输出: X ( y ) = d i a g ( x i ( y ) ) ,若A是非奇异H-矩阵。

1) 如果 N 3 ( A ) = ϕ 或存在 i 0 N ( A ) 使得 | a i 0 i 0 | = 0 ,则 A D * ,停止;否则转2;

2) 取 y = 1 , A ( 0 ) = A , X ( 0 ) = I

3) 计算 A ( y ) = A ( y 1 ) X ( y 1 ) = ( a i t ( y ) )

4) 取 l = 1 ,计算 Λ i ( A ( y ) ) = t i | a i t ( y ) |

5) 如果 | a i i ( y ) | > Λ i ( A ( y ) ) ,则 i N 3 ( A ( y ) ) ;否则转6;

6) 如果 | a i i ( y ) | = Λ i ( A ( y ) ) ,则 i N 2 ( A ( y ) ) ;否则转7;

7) 取 k [ 1 , m ] ,如果 k 1 m Λ i ( A ( y ) ) < | a i i ( y ) | < k m Λ i ( A ( y ) ) ,则 i N 1 k ( A ( y ) )

8) 令 N 1 ( A ( y ) ) = k = 1 m N 1 k ( A ( y ) ) ,如果 N 1 ( A ( y ) ) N 2 ( A ( y ) ) = ϕ ,则 A D * ,停止;否则转9;

9) 如果 N 3 ( A ( y ) ) = ϕ ,则 A D * ,停止;否则转10;

10) 计算

x 1 i , k ( y ) = | a i i ( y ) | k 1 m + 1 Λ i ( A ( y ) ) Λ i ( A ( y ) ) ( i N 1 k ( A ( y ) ) , k = 1 , 2 , , m ) ,

α i ( y ) = k = 1 m ( t N 1 k ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | ) , α ¯ i ( y ) = k = 1 m ( t N 1 k ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | x 1 t , k ( y ) ) ,

β i ( y ) = t N 2 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | , β ¯ i ( y ) = t N 2 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | x 2 t ( y ) ,

μ i ( y ) = t N 3 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | ,

x 2 i ( y ) = α ¯ i ( y ) + β i ( y ) + μ i ( y ) | a i i ( y ) | ( i N 2 ( A ( y ) ) ) ;

11) 取 r 0 ( y ) = 1 ,计算

r 1 ( y ) = max i N 3 ( A ( y ) ) { α i ( y ) + β i ( y ) | a i i ( y ) | μ i ( y ) } ,

r l + 1 ( y ) = max i N 3 ( A ( y ) ) { α ¯ i ( y ) + β ¯ i ( y ) + r l ( y ) μ i ( y ) | a i i ( y ) | } ( i N 3 ( A ( y ) ) , l Z + ) ,

P l + 1 , i ( y ) = α ¯ i ( y ) + β ¯ i ( y ) + r l ( y ) μ i ( y ) ( i N 3 ( A ( y ) ) , l Z ) ,

μ ¯ i ( y ) = t N 3 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | P l + 1 , t ( y ) | a t t ( y ) | ( i N 3 ( A ( y ) ) , l Z ) ,

W l + 1 , i ( y ) = α ¯ i ( y ) + β ¯ i ( y ) + μ ¯ i ( y ) ( i N 3 ( A ( y ) ) , l Z ) ,

η ¯ i ( y ) = t N 3 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | W l + 1 , t ( y ) | a t t ( y ) | ( i N 3 ( A ( y ) ) , l Z ) ,

h l + 1 , i ( y ) = α ¯ i ( y ) + β ¯ i ( y ) W l + 1 , i ( y ) η ¯ i ( y ) ( i N 3 ( A ( y ) ) , l Z ) ;

12) 令 γ = max i N 3 ( A ( y ) ) { α ¯ i ( y ) + β ¯ i ( y ) W l + 1 , i ( y ) η ¯ i ( y ) }

13) 如果

| a i i ( y ) | x 1 i , k ( y ) > α ¯ i ( y ) + β ¯ i ( y ) + γ η ¯ i ( y ) ( i N 1 k ( A ( y ) ) ) ,

A D * ,输出 X ( y ) = d i a g ( x i ( y ) ) ,停止;否则转14;其中

x i ( y ) = { x 1 i , k ( y ) i N 1 k ( A ( y ) ) , x 2 i ( y ) i N 2 ( A ( y ) ) , W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | + ε ( y ) i N 2 ( A ( y ) ) .

ε ( y ) = { 1 q min ( Λ i ( y ) | a i i ( y ) | W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | ) i N 3 ( A ( y ) ) , t N 3 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | 0 , σ 2 i N 3 ( A ( y ) ) , s . t . t N 3 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | = 0.

这里 σ 2 为充分小的数,且 q > 1

14) 如果 l < 100 ,取 l = l + 1 ,转11;否则转15;

15) 取 y = y + 1 ,转3。

下面我们证明算法2.1的收敛性。

定理2 设矩阵 A = ( a i j ) C n × n ,如果算法2.1经过有限次迭代停止,且得到一个严格对角占优矩阵,那么A是非奇异H-矩阵。

证明充分性:假设算法2.1经过y次迭代后停止,并生成了一个严格对角占优矩阵 A ( y ) = ( a i t ( y ) ) 。由 A ( y ) = A ( y 1 ) X ( y 1 ) 可递推得到

A ( y ) = A ( 0 ) X ( 0 ) X ( 1 ) X ( y 1 ) = A X ,

即存在正对角矩阵 X = X ( 1 ) X ( 2 ) X ( y 1 ) 使得 A X D 。根据定义1可得,A是非奇异H-矩阵。

必要性利用反证法。假设算法2.1经过有限次迭代后未停止,即不妨设A为非负矩阵,算法2.1在经过无限次迭代后,生成了无穷序列 { A ( y ) } , { a i i ( y ) } , { X ( y ) } 。令 y = 0 , 1 , ,由算法2.1的步骤13可知,对任意的 i N ( A ( y ) ) ,都有 0 < x i ( y ) 1 ,即正对角矩阵的对角元小于或等于1。又 a i t ( y ) = a i t ( y 1 ) x t ( y 1 ) A ( y ) = A ( y 1 ) X ( y 1 ) ,则 A = A ( 0 ) = A ( 0 ) A ( y ) 0 ,所以无穷矩阵序列 { A ( y ) } 单调递减且有界,可得 lim y A ( y ) = B ,其中 B = A X , X = X ( 1 ) X ( 2 ) X ( y 1 )

下面证明: lim y N 3 ( A ( y ) ) = N 3 ( B ) = ϕ

再利用反证法。假设存在某一 i N 3 ( A ( y ) ) ,使得 lim y N 3 ( A ( y ) ) ϕ ,则 1 x 1 i , k ( y ) > 0 1 x 2 i ( y ) > 0 1 W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | ε ( y ) > 0 ,且存在常量 τ 1 , τ 2 , τ 3 使得 | a i i ( y ) | ( 1 x 1 i , k ( y ) ) > τ 1 | a i i ( y ) | ( 1 x 2 i ( y ) ) > τ 2 | a i i ( y ) | ( 1 W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | ε ( y ) ) > τ 3 。取 τ 0 = min { τ 1 , τ 2 , τ 3 } ,由算法2.1可得

| a i i ( y + 1 ) | = | a i i ( y ) | x 1 i , k ( y ) < | a i i ( y ) | τ 0 ,

| a i i ( y + 1 ) | = | a i i ( y ) | x 2 i ( y ) < | a i i ( y ) | τ 0 ,

| a i i ( y + 1 ) | = | a i i ( y ) | ( W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | + ε ( y ) ) < | a i i ( y ) | τ 0 .

因此递推可得

| a i i ( 0 ) | = | a i i ( 1 ) | > | a i i ( 2 ) | + τ 0 > > | a i i ( y ) | + ( y 1 ) τ 0 ,

y 时,有 a i i ,产生矛盾。故 lim y N 3 ( A ( y ) ) = N 3 ( B ) = ϕ ,由引理2知B不是非奇异H-矩阵。

又已知矩阵A是非奇异H-矩阵,可得 A = B X 1 D * ,其中 X 1 为正对角矩阵,所以B是非奇异H-矩阵,与上述矛盾。所以算法2.1在有限次迭代后停止,并生成一个严格对角占优矩阵。证毕。

注1与文献 [1] 和文献 [2] 相比,算法2.1不仅进一步细分非占优行指标集,而且构造了更小的迭代因子序列,使得算法的判定范围更广,运行的迭代次数也减少。且乘积形式的不等式放缩条件本就比文献 [1] 中对角元与行和的直接对比形式的条件要弱些,故本文的算法改进了文献 [1] [2] 中的算法主要结果。后面的数值算例也证实了这一点。

注2 由 x 1 i , k ( y ) 的定义、 x 2 i ( y ) 的定义及 P l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | < 1 可知

ε ( y ) = 1 q min i N 3 ( A ( y ) ) { Λ i ( y ) | a i i ( y ) | W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | } = 1 q min i N 3 ( A ( y ) ) t N 1 k ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | ( 1 x 1 t , k ( y ) ) + t N 2 ( A ( y ) ) | a i t ( y ) | ( 1 x 2 t ( y ) ) + t N 3 ( A ( y ) ) , t i | a i t ( y ) | ( 1 P l + 1 , t ( y ) | a t t ( y ) | ) | a i i ( y ) | > 0 ,

且有

W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | + ε ( y ) = W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | + 1 q min i N 3 ( A ( y ) ) { Λ i ( y ) | a i i ( y ) | W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | } W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | + 1 q ( Λ i ( y ) | a i i ( y ) | W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | ) < W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | + ( Λ i ( y ) | a i i ( y ) | W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | ) = Λ i ( y ) | a i i ( y ) | < 1 ,

所以 ε ( y ) 满足 0 < ε ( y ) < 1 1 W l + 1 , i ( y ) | a i i ( y ) | ε ( y ) > 0 。故本文中 ε ( y ) 的选取是合理的。

3. 数值算例

例1 考虑矩阵A

A 1 = ( 25 7.5 6 0 3 1.8 9.5 30 5.8 4 0 0.6 0 0 9 9 0 1.8 0 2 3 10 3 8 6.3 7.5 0 8 120 5 0 0 6 0 30 36 ) .

A 2 = ( 1.5 1.5 0 0 0.5 0.6 0.5 1 1.9 0 0 0.5 0.3 1 0.3 0.2 4 0.2 0.3 2 1 0.2 0.5 0.1 3 0.1 0.5 1.6 0.7 0.1 0 0 4 0.5 0.7 1 0 0.3 0 0.8 5 0.7 1 0 0.4 0.4 1 1 30 ) .

针对上面两个矩阵 A 1 A 2 ,对比一些已有的判定算法结果,并利用Matlab软件编程计算,得到如下表1的具体判定结果。

Table 1. Numerical results of algorithm

表1. 算法数值计算结果

q = 10 σ 2 = 0.001 ,由上表可知,相对于算法1.1、文献 [2] 和文献 [4] 中的算法结果来说,本文算法2.1的迭代次数更少些。且与前面三个算法相比,算法2.1可通过改变m值,实现一步变多步计算,故本文算法2.1改进了上述文献结果。

例2 考虑矩阵B

B = ( I O O 1.11 I O 0.015 E I O 0.025 E 0.005 E 0.01 E 0.005 E I 0.02 E 0.005 E 0.01 E 0.015 E 0.01 E I 0.01 E I O O 0.015 E 0.99 I ) 100 × 100 ,

I = ( 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ) 20 × 20 , E = ( 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ) 20 × 20 , O = ( 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 20 × 20 .

针对上面矩阵B,利用Matlab软件编程计算,得到如下表2的具体判定结果。

Table 2. Number of iterations for different algorithms

表2. 不同算法的迭代次数情况

q = 5 σ 2 = 0.0002 ,由表2可知,文献 [2] 在规定迭代次数最大值为1000的情况下,其仍无法判定矩阵B是否为非奇异H-矩阵。另一方面,取 m = 1 时,算法1.1与算法2.1均迭代5次,但继续取 m = 2 时,本文算法2.1的迭代次数相对减少。故本文算法在一定程度上改进了上述文献结果。

4. 结论

通过数值实验结果对比分析,本文的算法2.1比文献 [1]、文献 [2] 以及文献 [4] 的算法判定所需的迭代次数较少,判定范围更广,故本文给出的算法在一定程度上改进了文献 [1]、文献 [2] 以及文献 [4] 算法的主要结果,且判定效率更高。

致谢

感谢庹清老师对本项目的悉心指导和帮助。

基金项目

国家自然科学基金项目(11461027);湖南省教育厅科研基金(21C0365)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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