非奇异 $H$ -矩阵是一类在计算数学、数学物理、控制论等领域具有广泛应用的特殊矩阵, 其数值判定一直是矩阵计算研究的重要课题.自文[1]给出非奇异 $H$ -矩阵的若干判定条件以来, 众多文献研究了这类问题的改进和推广(见文[2-10]).最近, 文[3]给出了一组非奇异 $H$ -矩阵的新判据, 其中的定理1改进了文[2]中的定理1.本文继续这方面的研究, 建立了一类判别非奇异 $H$ -矩阵的新条件, 改进了文[2]中的定理1, 并通过数值实例说明了本文所给非奇异 $H$ -矩阵的新判据的有效性.另外, 通过实例可见, 本文所给新判据还局部优于文[3]中的定理1.
本文用 $\mathbb{C}^{n\times n}$表示所有 $n\times n$阶复矩阵集合.设 $A=(a_{ij})\in\mathbb{C}^{n\times n}$, 记
定义1.1[1] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 如果 $|a_{ii}|>R_{i}(A)~(i\in N)$, 则称 $A$为严格对角占优矩阵, 记为 $A\in D$; 若存在正对角阵 $X$, 使得 $AX\in D$, 则称 $A$为广义严格对角占优矩阵(也称 $A$为非奇异 $H$ -矩阵), 记为 $A\in \overline{D}$.
若 $N_{1}\cup N_{2}\cup N_{3}=\emptyset$, 则 $A\in D$; 若 $A\in \overline{D}$, 则 $A$的主对角线元素非零, 且 $A$至少有一个严格对角占优行, 即 $N_{4}\neq\emptyset$.故本文总假设 $N_{1}\cup N_{2}\cup N_{3}$和 $N_{4}$均非空, 且矩阵 $A$的主对角线元素非零.
定义1.2[4] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$不可约, 如果 $|a_{ii}|\geq R_{i}(A)~(i\in N)$, 且其中至少有一个严格不等式成立, 则称 $A$为不可约对角占优矩阵.
定义1.3[5] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 如果 $|a_{ii}|\geq R_{i}(A)~(i\in N)$, 且其中至少有一个严格不等式成立, 又对每个等式成立的下标 $i$, 都存在非零元素链 $a_{ij_{1}}a_{j_{1}j_{2}}\cdots a_{j_{k-1}j_{k}}\neq0, $使得 $|a_{j_{k}j_{k}}|>R_{j_{k}}(A)$, 则称 $A$为具非零元素链对角占优矩阵.
引理1.1[4] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$为不可约对角占优矩阵, 则 $A\in \overline{D}.$
引理1.2[5] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$为具非零元素链对角占优矩阵, 则 $A\in \overline{D}.$
根据文[6]中的引理1, 本文总假定所讨论的矩阵中每一行的非对角元的模和为正.
本文首先引进文[3]中的记号.设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 记
文[2]和文[3]给出了如下重要结果:
定理1.1[2] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 若
则 $A\in \overline{D}.$
定理1.2[3] 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 若
且 $|a_{ii}|\neq \sum\limits_{t\in N_{3}, t\neq i}{|a_{it}|}\ (i\in N_{3}), $则 $A\in \overline{D}.$
下面将给出非奇异 $H$ -矩阵的一组新判定, 并通过数值实例来说明其有效性.
为了便于叙述, 本文继续引入如下几个新记号.设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}, $记
定理2.1 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 若
且 $|a_{ii}|\neq \sum\limits_{t\in N_{3}, t\neq i}{|a_{it}|}~(i\in N_{3}), $则 $A\in \overline{D}.$
证 显然, $0<x_{i}\leq1/2~(i\in N_{1}), \ 0<y_{i}<1~(i\in N_{2}), \ 0\leq r'<1~(i\in N_{4})$.从而
即 $0\leq z'_{i}=P'_{i}/|a_{ii}|\leq r'<1~~(i\in N_{4})$, 进而由式(2.3) 可得
故 $0\leq h'\leq1$, 且
(a.1) 因对任意的 $i\in N_{3}, $有 $|a_{ii}|\neq \sum\limits_{t\in N_{3}, t\neq i}{|a_{it}|}, $故存在充分小的正数 $\varepsilon_{1}, $使得
(a.2) 对任意的 $i\in N_{4}, $由式(2.4) 可得
取 $D_{1}=$diag $(d_{1}, d_{2}, \cdots, d_{n}), $ $B=(b_{ij})_{n\times n}=AD_{1}, $其中
由式(2.5) 和式(2.6) 可知, 一定存在充分小的正数 $\varepsilon_{2}, $使得
由式(2.1) 和式(2.2) 可知, 对上述充分小的正数 $\varepsilon_{1}$和 $\varepsilon_{2}, $有
进一步, 令 $D_{2}=$diag $(d_{1}', d_{2}', \cdots, d_{n}'), \ C=(c_{ij})_{n\times n}=BD_{2}$, 其中
(b.1) 对任意的 $i\in N_{3}\cup N_{4}, \ $由式(2.7) 可得
(b.2) 对任意的 $i\in N_{1}$, 由式(2.8) 可得
(b.3) 对任意的 $i\in N_{2}$, 如同(b.2) 的证法, 由式(2.9) 亦可证得 $R_{i}(C)<|c_{ii}|, \ i\in N_{2}$.综上所述, $C=AD_{1}D_{2}\in D, \ $故 $A\in \overline{D}.$证毕.
注 由于
故定理2.1改进了定理1.1.另外, 定理2.1还局部优于定理1.2 (见例3.1).
由引理1.1-引理1.2及定理2.1的证法, 易得到在不可约和非零元素链下的相应结果.
定理2.2 设 $A=(a_{ij}) \in \mathbb{C}^{n\times n}$, 且
若 $A$还满足下列条件之一, 则 $A\in \overline{D}$,
(ⅰ) $A$不可约, 且 $N_{3}\neq\emptyset$或式(2.10) 和式(2.11) 的诸式中至少有一个严格不等式成立.
(ⅱ) $N_{1}\cup N_{2}\cup N_{3}-W_{1}-W_{2}\neq\emptyset$, 且对任意的 $i\in W_{1}\cup W_{2}\cup N_{4}$, 存在非零元素链 $a_{is_{1}}a_{s_{1}s_{2}}\cdots a_{s_{k}k}\neq0$, 使得 $k\in [N_{1}\cup N_{2}\cup N_{3}-W_{1}-W_{2}]$, 其中
例3.1 设矩阵
则 $N_{1}=\{4\}, \ N_{2}=\{3\}, \ N_{3}=\{1, 2\}, \ N_{4}=\{5, 6\}$.由于
故矩阵 $A$不满足定理1.1 (即文[2]中定理1) 的条件.又因为
故矩阵 $A$不满足定理1.2 (即文[3]中定理1) 的条件.而
故矩阵 $A$满足定理2.1的条件, 即 $A\in \overline{D}.\ $当取 $X=$diag $\Bigl(\frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{1}{4}, \frac{1}{4}, \frac{8}{91}, \frac{4}{91}\Bigr)$时, 有 $AX\in D.$