本文讨论的广义箭形矩阵具有如下形式
其中$ {a_i}\left( {i = 2, \cdots , m + 1} \right) $互不相同, 且$ {b_i} > 0\left( {i{\rm{ = }}m + 1, \cdots , n - 1} \right) $.当$ m = 0 $时, 具有形式(1.1)的矩阵$ {A} $为Jacobi矩阵, 而当$ m = n - 1 $时, 矩阵$ {A} $就变成箭形矩阵. Jacobi矩阵的特征值反问题具有广泛的应用, 关于此类问题研究已取得一些比较好的结果, 详见文献[1-4].箭形矩阵的特征值反问题在现代控制理论中有着广泛的应用, 文献[5, 6]分别讨论了对称三对角矩阵和对称爪形矩阵的特征值反问题.对于一些特殊箭形矩阵的特征值反问题的研究见文献[7-9]. Gladwell从力学角度阐述了振动中的一些特征值反问题[10], 其中弹簧-质量系统等振动结构参数识别问题, 往往归结为Jacobi矩阵特征值反问题, 星形弹簧质量系统的振动问题则转化为箭形矩阵的特征值反问题.
具有形式(1.1)的广义箭形矩阵的特征值反问题在文献[11-13]中有讨论, 鉴于上述工作以及此类矩阵的重要性, 本文重点研究具有形式(1.1)的广义箭形矩阵的特征值反问题, 我们推广了Jacobi矩阵和箭形矩阵逆特征值问题, 提出了两类逆问题, 给出了问题有唯一解的充分必要条件, 给出了解的表达式及相应数值例子.
本文研究广义箭形矩阵的两类逆问题, 即
问题I 给出三个非零互异实数$ {\lambda _1}, {\lambda _2}, \mu $以及三个非零实向量$ {x_1} = {\left( {{x_1}, \cdots , {x_{m + 1}}} \right)^{\rm T}}, $ $ {x_2} = {\left( {{x_{m + 1}}, \cdots , {x_n}} \right)^{\rm T}}, $ $ {y} = {\left( {{y_1}, \cdots , {y_n}} \right)^{\rm T}}. $求具有形式(1.1)的$ n $阶矩阵$ {A} $使得$ \left( {{\lambda _1}, {x_1}} \right), $ $ \left( {{\lambda _2}, {x_2}} \right), $ $ \left( {\mu , {y}} \right) $分别是$ {{A_{1, m + 1}}} $, $ {A_{m + 1, n}} $和$ {A} $的特征对.
问题II 给出两个非零互异实数$ \lambda , \mu $和两个非零实向量$ {x} = {\left( {{x_1}, \cdots , {x_n}} \right)^{\rm T}}, {y} = {\left( {{y_1}, \cdots , {y_n}} \right)^{\rm T}} $, 求具有形式(1.1)的矩阵$ {A} $和$ {A^*} $, 使得$ \left( {\lambda , {x}} \right), \left( {\mu , {y}} \right) $分别为矩阵$ {A}, {A^*} $的特征对.
矩阵$ {A} $的的主子式$ {A_{1, m + 1}}, {A_{m + 1, n}} $和矩阵$ {A^*} $分别具有如下形式
其中$ {a_i}\left( {i = 2, \cdots , m + 1} \right) $互不相同, 且$ {b_i} > 0 \left( {i{\rm{ = }}m + 1, \cdots , n - 1} \right) $,可知$ {A_{1, m + 1}}, {A_{m + 1, n}} $分别为箭形矩阵和Jacobi矩阵.式(1.4)中除元素$ a_1^{\rm{*}} $与$ {a_1} $不同外, 其它元素与(1.1)式矩阵$ {A} $中元素相同.
现在作如下约定
下面给出本文将要用到的必要引理.
引理2.1[14] 设$ \lambda $为$ n $阶Jacobi矩阵$ J $的特征值, $ {x} = {\left( {{x_1}, {x_2}, \cdots , {x_n}} \right)^{\rm T}} $为$ J $对应于$ \lambda $的特征向量, 则
(1) $ {x_1}{x_n} \ne 0 $;
(2) $ x $的相邻的两个分量不同时为零;
(3) 若某个$ i\left( {1 < i < n} \right) $使得$ {x_i}{\rm{ = }}0 $, 则$ {x_{i - 1}}{x_{i + 1}} < 0 $.
对于问题Ⅰ给出定理2.1.
定理2.1 问题I有唯一解的充分必要条件为
(i) $ {x_i}\left( {i = m + 1, \cdots , n} \right) $满足引理2.1的条件;
(ii) $ \left\{ \begin{array}{l} {E_i} \ne 0\left( {i = 2, \cdots , m} \right), \omega \ne 0, \\ x_j^2{\rm{ + }}y_j^2 \ne 0{\rm{ }}\left( {j = 1, 2, \cdots , m, m + 2, \cdots n} \right), \\ {D_j} \ne 0\left( {j = m + 1, \cdots , n - 1} \right); \end{array} \right. $
(iii) \(\left({{\lambda _1} - \mu } \right)\sum\limits_{i = 1}^{m + 1} {{x_i}{y_i} + } {b_{m + 1}}{x_{m + 1}}{y_{m + 2}} = 0, \left({{\lambda _2} - \mu } \right)\sum\limits_{j = m + 1}^n {{x_i}} {y_i} + {b_m}{x_{m + 1}}{y_1} = 0\);
(iv) $ \left\{ \begin{aligned} &{b_{m{\rm{ + }}1}} = \frac{{\left[ { - \left( {{\lambda _1} - {\lambda _2}} \right){x_{m + 1}}{y_1} + \left( {\mu - {\lambda _1}} \right){x_1}{y_{m + 1}}} \right]{x_{m + 1}}}}{\omega } > 0, \\ &{b_i} = \frac{{{b_{m{\rm{ + }}1}}{D_{m + 1}} - \left( {{\lambda _2} - \mu } \right)\sum\limits_{j = m + 2}^i {{d_j}} }}{{{D_i}}} > 0 \quad \left ( {i = m + 2, \cdots , n - 1} \right), \end{aligned} \right. $
且当问题有解时, 解由下式给出
证 充分性 因$ ( {{\lambda _1}, {x_1}}), ({\mu , {y}}) $分别是$ {A_{1, m + 1}}, {A} $特征对, 有$ {A_{1, m + 1}}{x_1} = {\lambda _1}{x_1}, $ $ {A}{y} = \mu {y}. $
(1) 当$ 2 \le i \le m $时, 有如下线性方程组
由上式消去$ {a_i} $, 即$ {b_{i{\rm{ - 1}}}}{E_i} = \left( {\lambda - \mu } \right){d_i}. $由条件(ii) $ {E_i} \ne {\rm{0}}\left( {i = 2, \cdots, m}\right), $则$ {a_i}, {b_i} $有唯一解
下证(2.3)中$ {a_i} $的两个表达式等价, 由(2.2)式知
所以(2.3)式中$ {a_i} $的两个表达式等价得证.
(2) 当$ i = m + 1 $时, 由$ {A_{1, m + 1}}{x_1} = {\lambda _1}{x_1}, {A}{y} = \mu {y}, {A_{m + 1, n}}{x_2} = {\lambda _2}{x_2} $得下线性方程组
由条件(ii) $ \omega \ne 0 $, 其中$ \omega {\rm{ = }}{x_1}{x_{m + 1}}{y_{m + 2}} - {x_1}{x_{m + 2}}{y_{m + 1}} + {x_{m + 1}}{x_{m + 2}}{y_1} $, 解得
(3) 当$ i = {\rm{1}} $时, 由$ {A_{1, m + 1}}{x_1} = {\lambda _1}{x_1}, {A{y_1}} = \mu {y_1} $, 得
则有
将$ {b_i}\left( {i = 1, \cdots , m} \right) $的表达式带入$ {a_1} $, 利用条件(iii)可证得$ {a_1} $的两个表达式都存在则相等.
下证上述表达式相等.由条件(iii)有
则可推出
在(2.8)式两边同时除以$ {x_1}{y_1}, $得证$ {a_1} $的两个表达式相等.
(4) 当$ m{\rm{ + }}2 \le i \le n{\rm{ - 1}} $时, 由$ {A_{m + 1, n}}{x_2} = {\lambda _2}{x_2}, {A}{y} = \mu {y} $, 得
由上式消去$ {a_i} $得
即为$ {b_i}{D_i} = {b_{i - 1}}{D_{i - 1}} - \left( {{\lambda _2} - \mu } \right){d_i}. $递推可得
由条件(ii) $ {D_i} \ne 0, $则$ {a_i}, {b_i}\left( {i = m + 2, \cdots, n - 1} \right) $有唯一解且有
下证式(2.12)中$ {a_i} $的两个表达式等价, 由(2.11), (2.12)式知
所以(2.12)式中$ {a_i} $的两个表达式等价得证.
(5) 当$ i{\rm{ = }}n $时, 可得$ {a_n} $的表达式如下
根据(2.11)式, 利用条件(iii), 可证得$ {a_n} $的两个表达式都存在则相等.
根据条件(i)和(iv)可知所求$ {a_i}, {b_i} $满足问题I要求, 问题I有唯一解, 充分性得证, 且给出解的表达式(2.2), (2.3), (2.5), (2.7), (2.11), (2.12), (2.14).
必要性 若问题Ⅰ有唯一解, 则上述线性方程组(2.1), (2.4), (2.6), (2.9)有唯一解, 则可以推条件(ii)成立, 又因为矩阵$ {A_n} $的顺序主子式$ {A_{m + 1, n}} $为Jacobi矩阵, 若问题Ⅰ有解, 则条件(i)和(iv)成立.下证条件(iii)成立.
若问题Ⅰ有解则要满足$ {A_{1, m + 1}}{x_1} = {\lambda _1}{x_1}, {A}{y} = \mu {y}, $则有
在(2.15)式两边同时左乘$ {x_1} $得
结合式(2.14), 则式(2.16)为$ \left( {{\lambda _1} - \mu } \right)\sum\limits_{i = i}^{m + 1} {{x_i}{y_i} + } {b_{m + 1}}{x_{m + 1}}{y_{m + 2}} = 0. $若问题Ⅰ有解同时需要满足$ {A_{m + 1, n}}{x_2} = {\lambda _2}{x_2}, {A}{y} = \mu {y} $, 则有
结合式(2.17), 则式(2.19)为$ \left( {{\lambda _2} - \mu } \right)\sum\limits_{j = m + 1}^n {{x_i}} {y_i} + {b_m}{x_{m + 1}}{y_1} = 0. $条件(iii)得证, 即必要性得证.
下面讨论问题Ⅱ, 给出定理2.2.
定理2.2 问题Ⅱ有唯一解的充分必要条件为
(i) $ {D_i} \ne 0\left( {i = 1, \cdots , m - 1, m + 1, \cdots , n - 1} \right), {E_{m + 1}} \ne 0, $ $ x_i^2 + y_i^2 \ne 0 \, \left( {i = m + 1, \cdots , n} \right), $ $ {x_1} \ne 0, $ $ {y_1} \ne 0 $;
(ii) $ \frac{{\lambda - \mu }}{{{D_i}}}\sum\limits_{j = i + 1}^n {d{}_j} > 0 \, \left( {i = m + 1, \cdots , n - 1} \right) $,
证 必要性 由于$ \left( {\lambda , {x}} \right), \, \left( {\mu , {y}} \right) $分别为$ {A}, \, {A^*} $的特征对, 所以有
则上式可表示为
问题Ⅱ的解等价于求解上述线性方程组
由式(2.25)消去$ {a_n} $, 由条件(i) $ {D_{n - 1}} \ne 0, x_n^2 + y_n^2 \ne 0 $知$ {b_{n - 1}}, {a_n} $有唯一解, 所以有
利用(2.26)式易证明(2.27)式中$ {a_n} $的两个表达式等价.
利用式(2.26)由条件(i)知$ {D_i} \ne 0 $, 则$ {b_i} $有唯一解
通过递推得
结合式(2.21), 则$ {b_i} $的表达式为
利用(2.28)式易证(2.29)式中$ {a_{i + 1}} $的两个表达式等价.
由式(2.23)以及条件(i)知$ {E_{m + 1}} \ne 0 $, 则$ {b_m}, {a_{m + 1}} $有唯一解
利用(2.30)式可证(2.31)式中$ {a_{m + 1}} $的两个表达式等价.
由式(2.21)和条件(i) $ {x_1} \ne 0, {x_2} \ne 0 $, 得
由条件(i)知$ {D_i} \ne {\rm{0}}\left( {i = 1, \cdots , m - 1} \right) $, 则$ {b_i}, {a_{i + 1}} $有唯一解
充分性得证, 且给出问题Ⅱ解的表达式(2.27)-(2.35).
必要性 若问题Ⅱ有唯一解, 则上述线性方程组(2.21)-(2.25)有唯一解, 则可以推得条件(i)成立.若问题Ⅱ有解, 根据矩阵$ A, {A^*} $的特殊性以及$ {b_i}\left( {i = m + 1, \cdots , n - 1} \right) $的表达式, 则条件(ii)成立.
步骤1 验算所给$ {\lambda _1}, {\lambda _2}, \mu $以及三个非零实向量
是否满足定理2.1的条件(i)-(iv).是, 则进行下一步; 否则, 停止.
步骤2 根据定理2.1中的公式(2.2), (2.3), (2.5), (2.7), (2.11), (2.12), (2.14), 求解$ {a_i}, {b_i} $, 形成广义箭形矩阵$ {A} $.
例1 给实数$ {\lambda _1}{\rm{ = }}1.0879, {\lambda _2}{\rm{ = }}0.5689, \mu {\rm{ = }}0.9730, m = 3, n = 7 $给定实向量$ {x_1}, {x_2}, {y} $如下
根据算法1中的步骤将$ {\lambda _1}, {\lambda _2}, \mu, {x_1}, {x_2}, {y} $带入定理2.1的条件(i)-(iv), 验算可知所给数据满足有唯一解的条件, 利用公式(2.2), (2.3), (2.5), (2.7), (2.11), (2.12), (2.14), 通过MATLAB编程计算$ {a_i}, {b_i} $, 形成广义箭形矩阵$ {A} $, 得到$ {A} $如下
容易验证$ \left( {{\lambda _1}, {x_1}} \right) $是$ {A_{1, 6}} $的一个特征对, $ \left( {{\lambda _2}, {x_2}} \right) $是$ {A_{5, 10}} $的一个特征对, $ \left( {\mu , y} \right) $是$ A $的一个特征对, 所以$ {A} $是所要求的矩阵.
步骤1 验算所给数据$ \lambda, $ $ \mu $和两个非零实向量$ {x} = {\left( {{x_1}, \cdots , {x_n}} \right)^{\rm T}}, $ $ {y} = {\left( {{y_1}, \cdots , {y_n}} \right)^{\rm T}} $是否满足定理2.2的要求.是, 则进行下一步; 否则, 停止.
步骤2 根据定理2.2中公式(2.27)-(2.35), 求解
分别形成广义箭形矩阵$ {A}, {A^*} $, 使得$ \left( {\lambda , {x}} \right) $和$ \left( {\mu , {y}} \right) $分别为矩阵$ {A}, {A^*} $的特征对.
例2 给定实数$ \lambda {\rm{ = }} - 0.5435, \mu = - 0.0032, m = 3, n = 7 $, 给定实向量$ {x}, {y} $如下
根据算法2中的步骤将$ \lambda , \mu, {x}, {y} $带入定理2.2中的(i)和(ii), 验算可知所给数据满足有唯一解的条件, 根据式(2.27)-(2.35), 通过Matlab编程计算得到$ {a_1}, a_1^*, {a_i}\, \left( {i = 2, \cdots , n} \right), $ $ {b_i}\, \left( {i = 1, \cdots , n - 1} \right) $, 并形成广义箭形矩阵$ {A} $和$ {A^*} $, 如下所示
易知$ \left( {\lambda , {x}} \right) $是矩阵$ {A} $的一个特征对, $ \left( {\mu , {y}} \right) $为矩阵$ {A^*} $的一个特征对, 所以$ {A}, {A^*} $是所要求的矩阵.