1. 引言
近年来,广义Nekrasov矩阵是矩阵理论,经济数学,数值分析等众领域有广泛应用的一类重要特殊矩阵,因此,判定一个矩阵是否为广义Nekrasov矩阵有着重要的意义。许多学者对广义Nekrasov矩阵判定条件的研究已经取得诸多研究成果(见文 [1] - [10] )。其中,文 [2] 分别从构造新的递进判别系数和二次划分指标集这两种不同的思路出发,提出了判定广义Nekrasov矩阵的新方法;文 [3] 通过构造特殊的正对角矩阵,采用对非占优行区间的划分判定的方法,得到了广义Nekrasov矩阵的一类判别法;文 [5] 引入了参数p,为判定条件构造了小于1的迭代递进系数,从而拓宽了判定范围;文 [4] 改进了文 [3] 的主要结论,利用不同的划分方式对非占优行下指标集进行划分,构造特殊的正对角矩阵,结合不等式的放缩技巧,给出了新的判定条件和迭代算法,使得对矩阵进行判定所需的迭代次数较少。本文从矩阵的元素出发,通过构造新的放缩因子,进而给出新的广义Nekrasov矩阵判定条件,改进了文 [4] 的主要结果,并用数值方法说明了该判定方法的优越性和实用性。
用表示n阶复方阵集,
为自然数集,设
,记
将
进行划分,并按照矩阵的行下标区域所满足的条件进行划分
定义1 [3] 设矩阵
,若
,都有
,则称A为弱Nekrasov矩阵,记作
;若不等式严格成立,则称A为Nekrasov矩阵,记作
;若存在正对角矩阵D,使
,则称A为广义Nekrasov矩阵,记作
。
引理1 [3] 设矩阵
,若存在
,
,使
,有,其中
,
,则A为广义Nekrasov矩阵。
引理2 [4] 设矩阵为Nekrasov矩阵,则
。
引理3 [5] 设矩阵为Nekrasov矩阵,则
。
引理4 [6] 设矩阵,对矩阵
,若
为正对角矩阵,且对
,当
时,有
。
若
为空集,则A为广义Nekrasov矩阵。若
为空集,则A不是广义Nekrasov矩阵。所以本文假设
,
不为空集,且对角元
。
2020年,在文献 [4] 的定理2.1给出了如下结果:
定理1 [4] 设
,若
则A为广义Nekrasov矩阵。
其中
我们对该定理的条件进行改进,得到判定范围更广的新条件。
2. 主要结果
定理2 设矩阵
(1)
(2)
则A为广义Nekrasov矩阵。
证明:若存在某个
使得
,即
,则
,(1)式两边相等且等于0,与已知条件矛盾,故对
,
,即
。
由r的定义可知,
,且对于
,有
,则
故
,再由
的定义
(3)
则
,
。
对于
,有
,
所以对于
,有
。
再由式(1)和(2),有
(4)
(5)
(6)
构造正对角矩阵
,其中
易知,对任意的
,都有
,所以X为正对角矩阵,记
,则
。由引理4知,对任意的
,都有
,
。
设
,若
,则
(7)
(8)
(9)
由
,
及不等式(7),(8),(9)得
(10)
(11)
(12)
由式(4),(5)和式(10),(12)可得
(13)
由式(4),(6)和(11),(12)可得
(14)
式(13),(14)分别与条件(1),(2)矛盾,故
。
对
,由式(1)得
对
,由式(2)得
综上所述,对
,有
。由引理1可得
,所以
,即A为广义Nekrasov矩阵。
定理2:设矩阵
,若
,存在
,使得
,且满足
(15)
则A为广义Nekrasov矩阵。
证明:由定理2的证明可得
,
,
,有
。
构造正对角矩阵
,其中
易知,对任意的
,都有
,所以D为正对角矩阵,记
,则
。由引理4知,对任意的
,都有
,下证
。
对
,由式(15)得
对
,由式(3)得
对
,有
综上所述,对
,都有
,所以
,故
,即A为广义Nekrasov矩阵。
注1:对任意的
,都有
;同时对任意
,都有
,故相较于定理1来说,本文将非占优行区间快速缩小,同时将
进行放大,逆向对非占有行进一步细分,获得了更加简捷快速的判定条件。后面的数值算例说明其判定范围优于定理1。
注2:由定理2的证明过程可得
,令
易知
,由式(1)和式(2)得
则定理2改进了文献 [3] 的定理1。
3. 数值算例
例1
经过Matlab程序计算,可得,根据定理1,
,
,
,
,
时,
由上述结果可得,定理1无法判定矩阵A为广义Nekrasov矩阵。同样可以验证文献 [3] 和文献 [4] 都无法判断矩阵A为广义Nekrasov矩阵,而定理2可以直接判定A是广义Nekrasov矩阵。
可得
,
,根据定理2,
,
,当
时,
其中正对角矩阵
。
例2
经过Matlab计算,可得
,
,根据定理2,有
,
,当
时,不满足定理1的条件,但是利用本文定理2可以判断矩阵A为广义Nekrasov矩阵。
4. 结论
通过进行数值实验,可以得出定理2对广义Nekrasov矩阵的判定范围比定理1更加广泛,故本文给出的主要判定条件改进了现有的结果。
致谢
感谢庹清老师对本文章的悉心指导。
基金项目
国家自然科学基金项目(11461027);湖南省研究生科研创新项目(CX20231071)。