1. 引言
张量是高阶广义矩阵,广泛应用于信号和图像处理、高阶统计学、自动控制、医学成像、超图理论、弹性材料科学和工程研究与数据分析等领域中。近年来,许多专家学者对一般张量 [1] - [6] 或特殊结构张量的理论、性质及应用进行了广泛探讨 [7] - [18]。本文继续讨论H-张量的判定问题,得到了只与张量元素有关的新判别不等式,拓广了文献 [11] [14] [15] [16] 的结果。同时,获得了偶数阶实对称张量,即偶数阶齐次多项式正定性的新判定条件。最后,利用数值算例说明了新条件的有效性。
2. 预备知识
记
为复(实)数集,
。一个m阶n维张量
由
个元素构成,其中
,
,
[3] [4]。若
,
,则称
为对称张量 [5],其中
为m个指标的置换群。称张量
为单位张量 [5],若
若
,
,
,
则称m阶n次齐次多项式
是正定的 [3]。
也可以表示为m阶n维对称张量
与
的乘积,如下
.
若
是正定的,则对称张量
也是正定的 [3]。
定义1 [8] 设
是m阶n维张量,若存在正向量
,满足
,
,
则称
为H-张量。
定义2 [5] 设
是m阶n维张量,若存在一个非空子集
,满足
,
,
,
则称
是可约张量。否则,称
是不可约张量。
定义3 [9] 设
是m阶n维张量,若存在指标
,满足
,
,
,
其中
,
,则称张量
中有一条从指标i到指标j的非零元素链。
3. 主要结果
为讨论方便,给出如下记号:设
是m阶n维张量,令
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
引理1 [6] 若
是严格对角占优的张量,则
是H-张量。
引理2 [10] 设
是m阶n维张量。若存在正对角阵
,满足
是H-张量,则
是H-张量。
引理3 [6] 设
是m阶n维张量且不可约。若
,
,
且上式中至少有一个严格不等式成立,则
是H-张量。
引理4 [9] 设
是m阶n维张量。若
1)
,
;
2)
;
3)
,从指标i到指标j有一条非零元素链,满足
;
则
是H-张量。
定理1 设
是m阶n维张量。若
满足
,
, (1)
且
(
),则
是H-张量。
证明:由K的定义知
.
因此
,
. (2)
由式(1)得,
. (3)
而
且
,所以
,
. (4)
由(3)式和(4)式得,一定存在足够小的正数
,使得
,
, (5)
,
. (6)
构造正对角阵
,记,其中
,
;
,
;
,
.
而
且
,故对
,
根据(6)式,对
,
对
,由(2)式得
综上可得
。由引理1知
是H-张量,故由引理2知
是H-张量。
定理2 设
是m阶n维张量且不可约。若
满足
,
, (7)
且(7)式中至少有一个严格不等式成立,则
是H-张量。
证明:构造正对角阵
,记
,其中
,
;
,
;
,
.
由M的定义得,对
,
根据(7)式知,对
,
又对
,由K的定义知
因此,
。因(7)式中至少有一个严格不等式成立,所以存在指标
满足
,且由
不可约知
不可约,于是由引理3知
是H-张量。从而,由引理2知
是H-张量。
记
定理3 设
是m阶n维张量。若
满足
,
, (8)
且对
,
中存在从i到j的非零元素链,满足
,则
为H-张量。
证明:构造正对角阵
,记,其中
,
;
,
;
,
.
类似于定理2的证明,对任意的
,有
,且至少有一个严格不等式成立。
另一方面,若
,则
。设
中有从i到j的一条非零元素链,满足
,则
中也有从i到j一条非零元素链,满足
。于是,由引理4知
是H-张量,再由引理2知
是H-张量。
例1 设是一个3阶3维张量,其中
,
,
.
则
,
,
,
,
,
.
所以
。计算得
,
,
,
,
.
因为
,
所以张量
满足本文定理1的条件,故张量
为H-张量。但
,
且
因此
不满足文献 [11] 中定理1的条件且
不满足文献 [14] 中定理2的条件。
4. 应用
基于H-张量的新判定条件,下面给出判定高次多元偶次齐次多项式正定性的新结论。
引理5 [6] 设
是m阶n维的实对称张量,m是偶数,
。若
是H-张量,则
是正定的。
根据引理5,定理1,定理2和定理3,可得到以下结论。
定理4设m阶n维张量
为偶数阶实对称张量,
。若
满足下列条件之一:定理1的条件;或定理2的条件;或定理3的条件,则
是正定的。
例2 设6次齐次多项式
其中
是一个6阶6维实对称张量,且
其余的
。则
,
,
,
,
,
,
且
。计算得
,
,
,
,
.
当
时,计算得
因此
满足本文定理1的条件,由定理4知
是正定的,即
是正定的。但
,
,
且
,
因此不能用 [15] 中的定理3, [16] 中的定理4和 [11] 中的定理1判断
的正定性。
5. 结论
本文通过构建不同的正对角矩阵,结合不等式的放缩技巧,得到了判别H-张量的新不等式,且这些不等式只涉及到张量的元素关系,因此它们是容易计算的。作为应用,给出了偶数阶实对称张量,即高次多元偶次齐次多项式正定性的判定新方法,数值例子表明了新结论的有效性。下一步,H-张量的高效数值迭代判定算法将是研究的重点。
致谢
感谢编辑老师和审稿老师提出了宝贵修改意见。
基金项目
贵州省科学技术基金(20181079,20191161),贵州民族大学自然科学基金(GZMU[2019]YB08)。