非奇异M_矩阵的降阶判定

第22卷 第1期2006年1月福建师范大学学报(自然科学版)

JournalofFujianNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.22 No.1Jan.2006

文章编号:1000-5277(2006)01-0012-04

非奇异M-矩阵的降阶判定

韩凤萍,严宣辉

1

2

(1.福建信息职业技术学院,福建福州 350019;2.福建师范大学数学与计算机科学学院,福建福州 350007)  摘要:给出对任意阶非奇异M-矩阵进行简便判定定理,设计了一种降阶判定算法以实现对任意阶矩阵是否为非奇异M-矩阵的快速判定,每次只要进行数的加、减、乘、除简单运算及对其结果判定符号,并对一个已有的逆M-矩阵的性质定理的结论进行修正.

关键词:M-矩阵;逆M-矩阵;Schur补中图分类号:O241.6   文献标识码:A

DecisionofReducingOrderofNonsingularM-matrix

HANFeng-ping,YANXuan-hui

1

2

(1.FujianVocationalCollegeofInformationandTechnology,Fuzhou350019,China;

2.SchoolofMathematicsandComputerScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

Abstract:GiveaconvenienttheoremofjudginganarbitraryordernonsingularM-matrix,designanalgorithmofreducingordertojudgewhetheranarbitraryorderM-matrixisanonsingularM-matrix.Everytimeitisonlyrequiredtooperateonaddition,subtract,multiply,divisiontojudgesymbolofitsresult.Itiseasyandsimple.Meanwhile,reviseaprevioustheoremofinverseM-matrix

property.

Keywords:M-matrix;inverseM-matrix,;Schurcomplement

物理学、数学和社会科学中的许多理论问题息息相关,是M-矩阵有广泛的应用背景,它与生物学、

计算数学中使用广泛的一个矩阵类,因此,研究非奇异M-矩阵的判定方法成为矩阵理论研究中极为活跃的一个领域.对M-矩阵的判定方法的研究已有许多成果,但大都是对非奇异M-矩阵的整体进行判定,这对高阶矩阵来说难度较大,因而判定方法难以实现,具有局限性.本文给出对任意阶非奇异M-矩阵进行简便判定的定理,并利用该定理解决了两个问题:1.用算法实现对高阶非奇异M-矩阵的简便判定,每次只要进行数的加、减、乘、除简单运算并对其结果判定符号即可;2.对一个已有的逆M-矩阵的性质定理的结论进行修正.与现在常用的非奇异M-矩阵判定方法相比,本文提供的算法高效且易于实现.

1 M-矩阵的判定方法

定义1 设A=(aij)n×n为实矩阵,其中aij≤0(i≠j),若A

-1

存在且A

-1

≥0,则称A为非奇异

M-矩阵.

定义2 设A=(aij)n×n为非奇异实矩阵,若A-1为M-矩阵,则A为逆M-矩阵.

定义3 设A=(aij)n×n,若存在正对角阵Q,使得QA为正定矩阵,则称A为广义正定矩阵.

 收稿日期:2005-03-09

 基金项目:福建省教育厅基金资助项目(JB05209)

(),,,,:

 第1期              韩凤萍等:非奇异M-矩阵的降阶判定

[1]

13

引理1 设A=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),则A为非奇异M-矩阵的充要条件是存在正对角阵D,使得DA为正定.

引理2[2] 设An=-BD

-1

AB

CD

C都是广义正定矩阵.

,其中D∈Rm×m,1≤m≤n,则An为广义正定的充要条件是D和A

引理3[3] M-矩阵的主对角元必为正值.

定理1 设An=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),则An为非奇异M-矩阵的充要条件是An为广义正定矩阵.

证明 An为非奇异M-矩阵阵.

定理2 设An=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),则An为非奇异M-矩阵的充要条件是D和A-BD-1C都是非奇异M-矩阵.其中An=

证明 An为非奇异M-矩阵

1

-1

1

存在正对角阵Q,使得QAn为正定

3

An为广义正定矩

AC

BD

.

2

1

An为广义正定矩阵D和A-BD

-1

C为广义正定矩阵

D和A-BDC为非奇异M-矩阵.

2 M-矩阵的判定算法分析与实现

记A[nn]=异M-矩阵.

¹A[nn]的对角元有一不大于0,若Dnn≤0,根据引理3得A[nn]不是非奇异M-矩阵,结束判断.否则

1

对n-1阶块A[nn-1]=An-1-Bn-1D-nnCn-1,判断其是否非奇异M-矩阵.

An-1Cn-1

Bn-1Dnn

n×n

>(aij)n×n,设A[nn]=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),判断A[nn]是否为非奇

对An

[n-1]

=

aij-

ain×anjDnn

(n-1)×(n-1)

>(bij)(n-1)×(n-1)进行分块:

An-2Cn-2

Bn-2Dn-1,n-1

,其中

Dn-1,n-1仍为一阶.

º判断A[nn-1]所有对角元的符号.若有一不大于0,则A[nn-1]不是非奇异M-矩阵,根据定理2知A[nn]

不是非奇异M-矩阵,结束判断.否则对n-2阶块An奇异M-矩阵.

对A

[n-2]n

[n-2]

=An-2-Bn-2Dn-1,n-1Cn-2,判断其是否为非

An-3Cn-3

Bn-3Dn-2,n-2

-1

=

bij-

Dn-1,n-1

bi,n-1×bn-1,j

(n-2)×(n-2)

>(c)

ij

(n-2)×(n-2)

进行分块:,

其中Dn-2,n-2仍为一阶.

»以此进行下去直到判断D11的符号为止.

据以上分析可知,每次只要对

ann,                i=n,

Dii=xii-×(xi,i+1×xi+1,i),   i=n-1,n-2,…,1

Di+1,i+1

(Dii为一阶的块,xij为每次降价后矩阵An的第i行第j元素)进行简单的数的运算,对其判断符号.这过程可简单描述为:若每一个Dii>0(i=n,n-1,n-2,…,1),则A[nn]是非奇异M-矩阵,若存在一个j∈[1,n]使得Dij≤0,则A[nn]不是非奇异M-矩阵.

通过以上所述知,计算机所处理的只是很简单的数的加、减、乘、除运算,因此对任意阶的An=(aij)n×n(其中aij≤0(i≠j)),判断其是否为非奇异M-矩阵就很容易实现,特别是对高阶矩阵的判断更[i]

14

福建师范大学学报(自然科学版)           2006年 

3 程序代码描述

对于本文的算法,利用MatLab6.5科学计算软件编写程序进行实验,程序代码如下: functionm=m—matrix(A,n) m=1;

 fori=n:-1:1

if(A(i,i)

 breakend

forj=1:i-1 fork=1:i-1

   A(j,k)=A(j,k)-A(j,i)*A(i,k)/A(i,i)   endend end

 if(m==1)

disp(’ItisanonsingularM-matrix’) else

)disp(’ItisnotanonsingularM-matrix’ end

4 数值例子

例1

1.0000

A[44]=

-0.2500-0.2500

-0.2500-0.25001.00000

01.0000

-0.2500

,D44=a44=1.0000>0.

-0.2500-0.2500-0.25001.0000-0.2500-0.2500

-0.25000.9375-0.0625

  用本文算法第一次降阶后的3阶矩阵为

A[43]=

-0.2500

-0.0625, D33=0.9375>0,第二次降阶后的2阶矩阵为

A[42]=

第三次降阶后的1阶矩阵为

A4=(, D11=0.8571>0.

每次降阶后的矩阵的Dii>0,根据定理2可知A[44]为非奇异的M-矩阵.

事实上,由于A[44]的逆矩阵为非负矩阵:

[1]

0.9333-0.2667

-0.2667, D22=0.9333>0,

 第1期              韩凤萍等:非奇异M-矩阵的降阶判定

15

根据定义1可知A4亦为为非奇异的M-矩阵,算法的结果与其是一致的.

例2 不是M-矩阵的例子:

1.0000

A4=

[4]

[4]

-0.33331.00000-1.0000

-0.2000

01.0000-0.2500

0-1.0000-0.25001.0000

, D44=a44=1.0000>0.

-0.2500-0.2500

用本文算法第一次降阶后的3阶矩阵为

1.0000

A[43]=

-0.2500-0.2500

-0.3333-0.20000-0.2500,-0.2500由于A[43]有一对角元为0,可知A[44]不是非奇异的M-矩阵.

事实上,由于A4的逆矩阵为

1.0000

-0.2500

[4]

-0.2500-0.25001.0000

,

-0.0000-0.2500

-0.2500-0.00001.0000-0.2500-0.0000-0.2500-0.25001.0000

通过大量的例子实验,结果都验证了算法的正确性,在此不一一列举.

此时已不是非负矩阵.根据定义1可知A[44]不是M-矩阵,算法的结果与其是一致的.

5 修正一个定理的结论

引理4 设M是非负奇异的n×n矩阵,其分块M=补为(M/A)=D-CA-1B.

-1

A

CB

,A为非奇异的,A在M中的SchurD

A-1(M/A)-,

(M/A)-1

B

,A为非奇异的,若M是为逆M-矩D

A0C0

B0

,根据定理2可知,D0

A-1(A+B(M/A)-1C)A-1-M=

-(M/A)-1CA-1

由文献[4]知,若M是为逆M-矩阵,则(M/A)是逆M-.

A

定理3 设M是非负奇异的n×n矩阵,其分块M=

C

阵,则A和(M/A)均是逆M-矩阵.

证明 因为M是为逆M-矩阵,即M-1为非奇异M-矩阵.设M-1=

1-1

两个块D0和A0-B0D-0C0都是非奇异M-矩阵,而D0=(M/A)且

-1

A0-B0D0C0=

(A+B(M/A)C)A]-[-AB(M/A)][(M/A)][-(M/A)

-1-1-1-1-1-1-1-1-1A+AB(M/A)CACA-AB(M/A)CA=A.

故A和(M/A)都是逆M-矩阵,这比引理4的结论更加完善.

[A

-1-1-1-1-1-1-1-1

CA]=

参考文献:

[1]张谋成,黎稳.非负矩阵[M].广州:广东教育出版社,1995.

[2]AlbertA.ConditionsforpositiveandnonnegativedefinitenssintennsofpseudvinversesSZAMJ[J].Appl.Math.,

1969,17:430-440.

[3]程云鹏.矩阵论[M].西安:西北工业大学出版社,1989.

[4]ImanLN.TheSchurcomplementandtheinverseM-matrixproblem[J].Lin.Alg.Appl.,1984,62:235-240.

(

第22卷 第1期2006年1月福建师范大学学报(自然科学版)

JournalofFujianNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.22 No.1Jan.2006

文章编号:1000-5277(2006)01-0012-04

非奇异M-矩阵的降阶判定

韩凤萍,严宣辉

1

2

(1.福建信息职业技术学院,福建福州 350019;2.福建师范大学数学与计算机科学学院,福建福州 350007)  摘要:给出对任意阶非奇异M-矩阵进行简便判定定理,设计了一种降阶判定算法以实现对任意阶矩阵是否为非奇异M-矩阵的快速判定,每次只要进行数的加、减、乘、除简单运算及对其结果判定符号,并对一个已有的逆M-矩阵的性质定理的结论进行修正.

关键词:M-矩阵;逆M-矩阵;Schur补中图分类号:O241.6   文献标识码:A

DecisionofReducingOrderofNonsingularM-matrix

HANFeng-ping,YANXuan-hui

1

2

(1.FujianVocationalCollegeofInformationandTechnology,Fuzhou350019,China;

2.SchoolofMathematicsandComputerScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

Abstract:GiveaconvenienttheoremofjudginganarbitraryordernonsingularM-matrix,designanalgorithmofreducingordertojudgewhetheranarbitraryorderM-matrixisanonsingularM-matrix.Everytimeitisonlyrequiredtooperateonaddition,subtract,multiply,divisiontojudgesymbolofitsresult.Itiseasyandsimple.Meanwhile,reviseaprevioustheoremofinverseM-matrix

property.

Keywords:M-matrix;inverseM-matrix,;Schurcomplement

物理学、数学和社会科学中的许多理论问题息息相关,是M-矩阵有广泛的应用背景,它与生物学、

计算数学中使用广泛的一个矩阵类,因此,研究非奇异M-矩阵的判定方法成为矩阵理论研究中极为活跃的一个领域.对M-矩阵的判定方法的研究已有许多成果,但大都是对非奇异M-矩阵的整体进行判定,这对高阶矩阵来说难度较大,因而判定方法难以实现,具有局限性.本文给出对任意阶非奇异M-矩阵进行简便判定的定理,并利用该定理解决了两个问题:1.用算法实现对高阶非奇异M-矩阵的简便判定,每次只要进行数的加、减、乘、除简单运算并对其结果判定符号即可;2.对一个已有的逆M-矩阵的性质定理的结论进行修正.与现在常用的非奇异M-矩阵判定方法相比,本文提供的算法高效且易于实现.

1 M-矩阵的判定方法

定义1 设A=(aij)n×n为实矩阵,其中aij≤0(i≠j),若A

-1

存在且A

-1

≥0,则称A为非奇异

M-矩阵.

定义2 设A=(aij)n×n为非奇异实矩阵,若A-1为M-矩阵,则A为逆M-矩阵.

定义3 设A=(aij)n×n,若存在正对角阵Q,使得QA为正定矩阵,则称A为广义正定矩阵.

 收稿日期:2005-03-09

 基金项目:福建省教育厅基金资助项目(JB05209)

(),,,,:

 第1期              韩凤萍等:非奇异M-矩阵的降阶判定

[1]

13

引理1 设A=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),则A为非奇异M-矩阵的充要条件是存在正对角阵D,使得DA为正定.

引理2[2] 设An=-BD

-1

AB

CD

C都是广义正定矩阵.

,其中D∈Rm×m,1≤m≤n,则An为广义正定的充要条件是D和A

引理3[3] M-矩阵的主对角元必为正值.

定理1 设An=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),则An为非奇异M-矩阵的充要条件是An为广义正定矩阵.

证明 An为非奇异M-矩阵阵.

定理2 设An=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),则An为非奇异M-矩阵的充要条件是D和A-BD-1C都是非奇异M-矩阵.其中An=

证明 An为非奇异M-矩阵

1

-1

1

存在正对角阵Q,使得QAn为正定

3

An为广义正定矩

AC

BD

.

2

1

An为广义正定矩阵D和A-BD

-1

C为广义正定矩阵

D和A-BDC为非奇异M-矩阵.

2 M-矩阵的判定算法分析与实现

记A[nn]=异M-矩阵.

¹A[nn]的对角元有一不大于0,若Dnn≤0,根据引理3得A[nn]不是非奇异M-矩阵,结束判断.否则

1

对n-1阶块A[nn-1]=An-1-Bn-1D-nnCn-1,判断其是否非奇异M-矩阵.

An-1Cn-1

Bn-1Dnn

n×n

>(aij)n×n,设A[nn]=(aij)n×n,其中aij≤0(i≠j),判断A[nn]是否为非奇

对An

[n-1]

=

aij-

ain×anjDnn

(n-1)×(n-1)

>(bij)(n-1)×(n-1)进行分块:

An-2Cn-2

Bn-2Dn-1,n-1

,其中

Dn-1,n-1仍为一阶.

º判断A[nn-1]所有对角元的符号.若有一不大于0,则A[nn-1]不是非奇异M-矩阵,根据定理2知A[nn]

不是非奇异M-矩阵,结束判断.否则对n-2阶块An奇异M-矩阵.

对A

[n-2]n

[n-2]

=An-2-Bn-2Dn-1,n-1Cn-2,判断其是否为非

An-3Cn-3

Bn-3Dn-2,n-2

-1

=

bij-

Dn-1,n-1

bi,n-1×bn-1,j

(n-2)×(n-2)

>(c)

ij

(n-2)×(n-2)

进行分块:,

其中Dn-2,n-2仍为一阶.

»以此进行下去直到判断D11的符号为止.

据以上分析可知,每次只要对

ann,                i=n,

Dii=xii-×(xi,i+1×xi+1,i),   i=n-1,n-2,…,1

Di+1,i+1

(Dii为一阶的块,xij为每次降价后矩阵An的第i行第j元素)进行简单的数的运算,对其判断符号.这过程可简单描述为:若每一个Dii>0(i=n,n-1,n-2,…,1),则A[nn]是非奇异M-矩阵,若存在一个j∈[1,n]使得Dij≤0,则A[nn]不是非奇异M-矩阵.

通过以上所述知,计算机所处理的只是很简单的数的加、减、乘、除运算,因此对任意阶的An=(aij)n×n(其中aij≤0(i≠j)),判断其是否为非奇异M-矩阵就很容易实现,特别是对高阶矩阵的判断更[i]

14

福建师范大学学报(自然科学版)           2006年 

3 程序代码描述

对于本文的算法,利用MatLab6.5科学计算软件编写程序进行实验,程序代码如下: functionm=m—matrix(A,n) m=1;

 fori=n:-1:1

if(A(i,i)

 breakend

forj=1:i-1 fork=1:i-1

   A(j,k)=A(j,k)-A(j,i)*A(i,k)/A(i,i)   endend end

 if(m==1)

disp(’ItisanonsingularM-matrix’) else

)disp(’ItisnotanonsingularM-matrix’ end

4 数值例子

例1

1.0000

A[44]=

-0.2500-0.2500

-0.2500-0.25001.00000

01.0000

-0.2500

,D44=a44=1.0000>0.

-0.2500-0.2500-0.25001.0000-0.2500-0.2500

-0.25000.9375-0.0625

  用本文算法第一次降阶后的3阶矩阵为

A[43]=

-0.2500

-0.0625, D33=0.9375>0,第二次降阶后的2阶矩阵为

A[42]=

第三次降阶后的1阶矩阵为

A4=(, D11=0.8571>0.

每次降阶后的矩阵的Dii>0,根据定理2可知A[44]为非奇异的M-矩阵.

事实上,由于A[44]的逆矩阵为非负矩阵:

[1]

0.9333-0.2667

-0.2667, D22=0.9333>0,

 第1期              韩凤萍等:非奇异M-矩阵的降阶判定

15

根据定义1可知A4亦为为非奇异的M-矩阵,算法的结果与其是一致的.

例2 不是M-矩阵的例子:

1.0000

A4=

[4]

[4]

-0.33331.00000-1.0000

-0.2000

01.0000-0.2500

0-1.0000-0.25001.0000

, D44=a44=1.0000>0.

-0.2500-0.2500

用本文算法第一次降阶后的3阶矩阵为

1.0000

A[43]=

-0.2500-0.2500

-0.3333-0.20000-0.2500,-0.2500由于A[43]有一对角元为0,可知A[44]不是非奇异的M-矩阵.

事实上,由于A4的逆矩阵为

1.0000

-0.2500

[4]

-0.2500-0.25001.0000

,

-0.0000-0.2500

-0.2500-0.00001.0000-0.2500-0.0000-0.2500-0.25001.0000

通过大量的例子实验,结果都验证了算法的正确性,在此不一一列举.

此时已不是非负矩阵.根据定义1可知A[44]不是M-矩阵,算法的结果与其是一致的.

5 修正一个定理的结论

引理4 设M是非负奇异的n×n矩阵,其分块M=补为(M/A)=D-CA-1B.

-1

A

CB

,A为非奇异的,A在M中的SchurD

A-1(M/A)-,

(M/A)-1

B

,A为非奇异的,若M是为逆M-矩D

A0C0

B0

,根据定理2可知,D0

A-1(A+B(M/A)-1C)A-1-M=

-(M/A)-1CA-1

由文献[4]知,若M是为逆M-矩阵,则(M/A)是逆M-.

A

定理3 设M是非负奇异的n×n矩阵,其分块M=

C

阵,则A和(M/A)均是逆M-矩阵.

证明 因为M是为逆M-矩阵,即M-1为非奇异M-矩阵.设M-1=

1-1

两个块D0和A0-B0D-0C0都是非奇异M-矩阵,而D0=(M/A)且

-1

A0-B0D0C0=

(A+B(M/A)C)A]-[-AB(M/A)][(M/A)][-(M/A)

-1-1-1-1-1-1-1-1-1A+AB(M/A)CACA-AB(M/A)CA=A.

故A和(M/A)都是逆M-矩阵,这比引理4的结论更加完善.

[A

-1-1-1-1-1-1-1-1

CA]=

参考文献:

[1]张谋成,黎稳.非负矩阵[M].广州:广东教育出版社,1995.

[2]AlbertA.ConditionsforpositiveandnonnegativedefinitenssintennsofpseudvinversesSZAMJ[J].Appl.Math.,

1969,17:430-440.

[3]程云鹏.矩阵论[M].西安:西北工业大学出版社,1989.

[4]ImanLN.TheSchurcomplementandtheinverseM-matrixproblem[J].Lin.Alg.Appl.,1984,62:235-240.

(


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