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
,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
,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
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)。