1. 引言
矩阵理论作为解决实际问题的有力工具,在众多研究领域中发挥着重要作用。非奇异H-矩阵作为矩阵理论中一类特殊且重要的矩阵,一直是学者们研究的重点对象。如何高效判定一个矩阵是否为非奇异H-矩阵成为学者研究的热点问题[1]-[10]。文献[1]-[5]基于非奇异H-矩阵的性质,利用细分和迭代的方法,得出一系列非奇异H-矩阵的判定条件及算法。本文在此基础上,通过对非占优行指标集进行精细化细分,同时构造新的迭代因子,进一步提出了一组非奇异H-矩阵迭代判定的新条件以及相应的判定算法,推广了文献[1]-[5]的结果。
本文采用如下记号和定义:
用
表示
阶复(实)矩阵的集合,设
,
,
,记
定义1 设
,若对任意
,有
,则称
为对角占优矩阵。记所有对角占优矩阵的全体为
。若对任意
,有
,则称
是严格对角占优矩阵。记所有严格对角占优矩阵的全体为
。若存在正对角矩阵
,使得
,则称
为广义严格对角占优矩阵,也称为非奇异H-矩阵。记所有广义严格对角占优矩阵的全体为
。
定义2 设
为不可约矩阵,若
,且其中至少有一个严格不等式成立,则称
为不可约对角占优矩阵。
定义3 设
,若
,又对于满足
的下标i,存在非零元素序列
,使得
,则称
为具有非零元素链对角占优矩阵。
引理1 [2] 设
,若
为不可约对角占优矩阵,则
。
引理2 [3] 设
,若
为具有非零元素链对角占优矩阵,则
。
本研究总假设
,规定当
。
文献[1]给出如下主要结果:
定理1 设
,若存在非负整数k,使得
其中:
则
。
文献[2]给出如下主要结果:
定理2 设
,若满足
且对任意的
,存在
,使得
,则
。
其中:
2. 主要结果
为了叙述方便,进一步引入以下记号:
2.1. 定理3
设
,若对
,有
(1)
且对于
,
,
,则
是非奇异H-矩阵。
证明
由
的定义可知,有
。由数学归纳法可知:
(2)
又根据
细分的条件,知
。
对于
,有
可即有
。同时,由
的表达式可知,当
时,
故
根据式(1)有
取充分小的正数
,使
满足
同时满足
(3)
构造正对角矩阵
,并记
,其中
1) 对任意的
,由式(2)可得:
并且
时,有
因此
并且
时,有
因此
2) 对任意的
,由式(1)、式(3)可知:
3) 对任意的
,由h的表达式可得:
从而
综上所述,我们有
,所以
,证毕。
2.2. 定理4
设
且不可约,若对
,有
(4)
且上式至少有一个严格不等式成立,则
是非奇异H-矩阵。
证明
构造正对角矩阵
,并记
,其中
1) 对任意的
,并且
时,有
因此
并且
时,有
因此
2) 对任意的
,由式(1)可知:
3) 对任意的
,由h的表达式可得:
故有
综上所述,我们有
,且由假设知至少有一个严格不等式成立。由矩阵
不可约知矩阵
不可约,则
为不可约对角占优矩阵。由引理1知
,证毕。
2.3. 定理5
设
,若对
,有
(5)
且对
,存在非零元素链
,其中
,使得
,则
。
3. 算法
由定理3的判定条件,得到了一组判定非奇异H-矩阵的迭代新算法,且对矩阵
总假定:
3.1. 算法1
输入:矩阵
。
输出:
,如果
。
步骤1 如果
或存在
使
,则
,停止;否则,
步骤2 设
。
步骤3 计算
。
步骤4 如果
,则
,停止;否则,
步骤5 如果
,则
,停止;否则,
步骤6 计算
。
步骤7 如果对任意
,满足
且对于
,
,
,则
。停止;否则,
步骤8 设
,其中
步骤9
,返回步骤3。
对该算法,有如下结论。
3.2. 定理6
如果算法经过有限步迭代后终止,且产生一个正对角阵,则
。
证明 假设算法经过
次迭代后停止,得到一个严格对角占优矩阵
,由算法的过程可知
,即存在正对角矩阵
,使得
,从而
。
4. 数值算例
例1 设矩阵
在判定矩阵
是否为非奇异H-矩阵时,利用文献[1]中的记号,有
,
,则当
时,
故无法用文献[1]中的定理1来判定。利用文献[2]中的记号有
,当外迭代次数为4时,此文献[2]中的定理4可以判定矩阵
是非奇异H-矩阵。同理利用文献[4]中的记号,可验证当外迭代次数为10时,可判定矩阵
是非奇异H-矩阵。利用文献[5]中的记号,可验证当外迭代次数为2时,可判定矩阵
是非奇异H-矩阵。
而利用本文定理3的条件有
,
,
,
,当
时,有
,
,
,
,
,
,
。
即有
事实上,取
。
则有
易验证
,则矩阵
为非奇异H-矩阵。
5. 结论
通过数值算例表明,在引入区间细分策略和递进式迭代因子构造方法后,本文提出的迭代判定条件较文献[1]中的定理1具有更高的判定精度,对比文献[2]-[5],本文判定条件的适用范围也更为广泛。研究表明,该非奇异H-矩阵的迭代判定新条件,一方面拓展了现有判定理论框架,另一方面有效提升了非奇异H-矩阵的判定效率。
致 谢
感谢陈茜老师对本项目的悉心指导和帮助。
基金项目
湖南省教育厅科研项目(23C0342)和湖南省教育厅优秀青年项目(24B0743)。
NOTES
*通讯作者。