非負(fù)矩陣譜半徑的新估計(jì)

鐘琴

(四川大學(xué)錦江學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)部,四川 彭山 620860)

非負(fù)矩陣譜半徑的新估計(jì)

鐘琴

(四川大學(xué)錦江學(xué)院數(shù)學(xué)教學(xué)部,四川 彭山 620860)

非負(fù)矩陣譜半徑的估計(jì)是非負(fù)矩陣?yán)碚撗芯恐械闹匾n題.如果譜半徑的上下界能夠表示為非負(fù)矩陣元素的易于計(jì)算的函數(shù),那么這種估計(jì)價(jià)值更高.通過(guò)構(gòu)造兩個(gè)收斂的序列得到非負(fù)矩陣譜半徑的新界值.數(shù)值算例表明其結(jié)果比有關(guān)結(jié)論更加精確.

非負(fù)矩陣;譜半徑;上界;下界

1 引言與預(yù)備知識(shí)

非負(fù)矩陣是矩陣?yán)碚撝幸粋€(gè)重要的矩陣類,在圖論、線性規(guī)劃、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用,尤其是對(duì)于Markov鏈理論、偏微分方程數(shù)值解的一般理論也有重要應(yīng)用.對(duì)非負(fù)矩陣的譜半徑進(jìn)行估計(jì)是非負(fù)矩陣?yán)碚撗芯康暮诵膯?wèn)題之一.許多學(xué)者都致力于這方面的研究,并取得了一系列的研究成果[111].

若A=(aij)n×n的所有元素aij≥0,則稱矩陣A為非負(fù)矩陣,記為A≥0;若aij＞0,則稱矩陣A為正矩陣,記為A＞0,用ρ(A)表示n階非負(fù)矩陣A的譜半徑.

設(shè)n階矩陣A=(aij)n×n,如果存在一個(gè)置換矩陣P使得PAPT=其中B和D分別是k,l階方陣,k≥1和l≥1,則稱A是可約矩陣,否則稱A是不可約矩陣.

若A是非負(fù)不可約矩陣,則存在正向量u,使得Au=ρ(A)u,其中u稱為A的右Perron特征向量.

非負(fù)矩陣譜半徑的最有名且用的最多的界值是由Frobenius[1]提出的.設(shè)

結(jié)論 1.1[1](Frobenius界值) 設(shè)A=(aij)n×n≥0,令

則

對(duì)于列和也有相同的結(jié)論.

正矩陣是非負(fù)矩陣的子類,具有非負(fù)矩陣的所有性質(zhì).W.Lederman[2],A.Ostrowski[3]和A.Brauer[4]在(1)式的基礎(chǔ)上給出了正矩陣譜半徑的界值定理.

對(duì)于具有非零行和的非負(fù)矩陣,H.Minc[5]對(duì)(1)式進(jìn)行了改進(jìn),得到了如下的結(jié)果:

結(jié)論 1.2[6]設(shè)矩陣A=(aij)n×n≥0且不可約,若存在正整數(shù)k使得

則

對(duì)于列和結(jié)論同樣成立.

結(jié)論 1.3[7]設(shè)矩陣A=(aij)n×n≥0且A具有非零行和非零列和,則對(duì)任意的正整數(shù)m,k有

對(duì)于列和結(jié)論同樣成立.

本文在文獻(xiàn)[6-9]的基礎(chǔ)上對(duì)非負(fù)矩陣譜半徑的上下界進(jìn)行改進(jìn),借助于一個(gè)特殊的矩陣,通過(guò)構(gòu)造兩個(gè)收斂的序列,將非負(fù)矩陣譜半徑的上下界表示為矩陣元素的易于計(jì)算的函數(shù),所得結(jié)果改進(jìn)了現(xiàn)有的相關(guān)結(jié)論.

2 主要結(jié)論

引理 2.1[5]設(shè)λ是矩陣A的特征值,

分別是矩陣AT和A對(duì)應(yīng)于λ的特征向量,則

引理 2.2[5]若q1,q2,···,qn是正實(shí)數(shù),則對(duì)任意實(shí)數(shù)p1,p2,···,pn,有

引理 2.3[7]設(shè)A是n階矩陣,ri(Ak),cj(Ak)分別表示矩陣Ak的第i行行和與第j列列和,則

下面給出本文關(guān)于非負(fù)矩陣譜半徑的估計(jì)結(jié)果.

定理 2.1設(shè)矩陣A=(aij)n×n≥0且不可約,令

證明因?yàn)樗杂梢?知設(shè)

是矩陣AT對(duì)應(yīng)于ρ(A)的特征向量,即

則有

由引理1可知

于是

再由引理2得

故(5)式得證,同理可證(6)式成立.

定理 2.2設(shè)矩陣A=(aij)n×n≥0且不可約,令

若

則對(duì)任意的正整數(shù)k,有

都存在,且有

證明因?yàn)锽=(I+A+A2)n?1,所以AB=BA,進(jìn)一步有

令A(yù)B=(cij),由引理2.3及引理2.2可知,對(duì)任意的正整數(shù)k,有

即

因此

所以序列

單調(diào)遞減且有下界ρ(A),從而極限存在.

根據(jù)定理2.1知:

兩邊同時(shí)取極限得

同理可證對(duì)列和的結(jié)論也成立.

注2.1在(5)式中令k=0,并規(guī)定A0=B0=I,則有

因?yàn)?/p>

同理有

又根據(jù)ρ(A2)=[ρ(A)]2,從而有

因此,定理2.1的界值是文獻(xiàn)[1]中(1)式的改進(jìn),且精確度更高.

注2.2定理2.1中ρ(A)的上下界表達(dá)式里容易計(jì)算,因?yàn)閺囊?.3可知Ak+2Bk和AkBk的行和可以由Ak+1Bk?1和Ak?1Bk?1的行和遞推地算出,計(jì)算量不大.

注2.3若A是n(n≥2)階非負(fù)可約矩陣,則存在n階置換矩陣P,使得

其中塊對(duì)角線上每塊Aii(1≤i≤m)或?yàn)椴豢杉s矩陣,或?yàn)橐浑A零矩陣.顯然

因此對(duì)非負(fù)可約矩陣,施行合適的置換變換后,同樣可以對(duì)其譜半徑進(jìn)行估計(jì).

3 數(shù)值算例

例3.1考慮非負(fù)矩陣

真值ρ(A)=5.74165738···.以下是參考文獻(xiàn)[1-9]和本文定理2.1關(guān)于矩陣A譜半徑估計(jì)的結(jié)果比較.

表1 譜半徑的界值比較

由表 1可以看出,定理 2.1得到的結(jié)論在一定程度上比現(xiàn)有的相關(guān)結(jié)果更精確,特別是k=2時(shí),幾乎可以求得譜半徑的近似值

參考文獻(xiàn)

[1]Frobenius G.Uber Matrizen aus nichtnegativen Elementen,Sitzungsber[M].Berlin:Wiss,1912.

[2]Ledermannn W.Bounds for the greatest latent root of a positive matrix[J].London Math.Soc.,1950,25:265-268.

[3]Ostrowski A.Bounds for the greatest latent root of a positive matrix[J].London Math.Soc.,1952,27:253-256.

[4]Brauer A.The theorems of Ledermann and Ostrowski on positive matrices[J].Duke Math.,1957,24:265-274.

[5]Minc H.Nonnegative Matrices[M].New York:Wiley,1988.

[6]景何仿,尤傳華,司書紅.非負(fù)矩陣最大特征值的新界值[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào),2004,40(5):1-3.

[7]Liu S L.Bounds for the greatest characteristic root of a nonnegative matrix[J].Lin Alg App.,1996,(239):151-160.

[8]劉麗明,黃廷祝,劉小琴.非負(fù)矩陣最大特征值的新界值[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(2):343-345.

[9]殷劍宏.非負(fù)矩陣最大特征值的新界值[J].數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,(4):292-295.

[10]鐘琴,周鑫,牟谷芳.非負(fù)矩陣Perron根的下界序列[J].純粹數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué),2016,32(4):331-336.

[11]錢茜,韓貴春.非負(fù)矩陣譜半徑的界[J].高等學(xué)校計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):165-172.

New estimation for the spectral radius of nonnegative matrices

Zhong Qin
(Department of Mathematics,Sichuan University Jinjiang College,Pengshan 620860,China)

Estimation the bounds for the spectral radius of nonnegative matrices is important part in the theory of nonnegative matrices.It is more practical value when the bounds are expressed easily calculated function in element of matrix.New bounds for the spectral radius of nonnegative matrices were obtained by constructing two convergent sequences.Numerical example is given to illustrate the effectiveness by comparing with the relevant conclusions.

nonnegative matrices,spectral radius,upper bounds,lower bounds

O151.21

A

1008-5513(2017)02-0134-07

10.3969/j.issn.1008-5513.2017.02.004

2017-02-28.

四川省教育廳科研項(xiàng)目(13ZB0357);四川大學(xué)錦江學(xué)院青年教師科研基金(12130219)

鐘琴(1982-),碩士,講師,研究方向:矩陣?yán)碚摷捌鋺?yīng)用的研究

2010 MSC:15A09