Sylvester方程是矩阵理论研究中非常重要的一类矩阵方程, 它在特征结构配置、航天控制技术、微分方程数值解、模式识别等领域都有实际应用[1-3].目前, 关于Sylvester方程的解与约束解人们多在实数域或复数域上讨论, 并已取得丰富的成果[4-8], 而在四元数体上讨论该方程的约束解问题甚少.随着四元数矩阵在图像处理、飞行器姿态控制等方面的应用发展[9, 10], 讨论四元数Sylvester方程的约束解具有较大实际意义. Toeplitz矩阵是一类特殊结构矩阵, 它在信号压缩感知、超视距雷达电离层相位扰动校正等方面有重要作用[11-13].
本文目的是把实数域上的Sylvester矩阵方程$ AX - XB = C $推广到四元数体上讨论, 给出该方程存在Toeplitz约束解的条件及解法, 同时讨论它的最佳逼近问题.
用$ {\rm {\bf R}}^{n\times n}, {\rm {\bf C}}^{n\times n}, {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $分别表示全体$ n $阶实矩阵、复矩阵及四元数矩阵集合; $ A^T, \bar {A}, A^\ast $分别表示四元数矩阵$ A $的转置、共轭、共轭转置; $ A^ + $表示$ A $的Moore-Penrose广义逆; $ \left\| A \right\| = \sqrt {\mbox{tr}(A^\ast A)} $表示四元数矩阵$ A $的Frobenius范数; $ \mbox{vec}(A) $表示矩阵$ A $按列顺序拉直向量; $ A \otimes B $表示矩阵$ A $与$ B $的Kronecker积.下面给出相关定义和引理.
定义1.1 设$ T = (a_{ij} )_{n\times n} \in {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $, 如果满足$ a_{ij} = a_{j - i} $, 即
则称形如(1.1)式的矩阵为四元数Toeplitz矩阵, 全体$ n $阶四元数Toeplitz矩阵记作$ \mbox{TQ}^{n\times n} $.
显然, 一个四元数Toeplitz矩阵(1.1)由它的第$ n $行和第$ n $列共$ 2n - 1 $个元素唯一确定.记
其中$ e_i $为单位矩阵$ I_n $的第$ i $列.易知$ T_n \in {\rm {\bf R}}^{n^2\times (2n - 1)} $是列正交的.于是有
引理1.1 设$ T = (a_{ij} )_{n\times n} \in {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $, 则
其中$ l(T), T_n $分别如(1.2), (1.3)式所示.
引理1.2[14] 复数域上矩阵方程$ AX = C $有解的充要条件是$ AA^ + C = C $.此方程的通解和最小二乘解集均可表示为$ X = A^ + C + (I - A^ + A)Y, $其中$ Y \in {\rm {\bf C}}^{n\times n} $是任意矩阵, 且存在唯一极小范数最小二乘解$ X_{0} = A^ + C{.} $
本文主要讨论如下3个问题.
问题Ⅰ 给定四元数矩阵$ A, B, C \in {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $, 求矩阵$ X \in \mbox{TQ}^{n\times n} $, 使得$ AX - XB = C $.
问题Ⅱ 对给定的$ A, B, C \in {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $, 求矩阵$ X \in \mbox{TQ}^{n\times n} $, 使得$ \vert \vert AX - XB - C\vert \vert = \min $.
问题Ⅲ 设问题I的解集$ S_E \ne \emptyset $, $ M \in \mbox{TQ}^{n\times n} $是已知Toeplitz矩阵, 求$ \tilde {X} \in S_E $, 使得$ \mathop \min\limits_{X \in S_E } {\vert \vert }X - M {\vert \vert } = {\vert \vert }\tilde {X} - M {\vert \vert .} $
设$ X \in \mbox{TQ}^{n\times n} $, 它在实数域$ {\rm {\bf R}} $上的分解式为$ X = X_0 + X_1 i + X_2 j + X_3 k, $其中$ X_i \in {\rm {\bf R}}^{n\times n}(i = 0, 1, 2, 3) $均是实Toeplitz矩阵.又设$ A, B, C \in {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $在实数域$ {\rm {\bf R}} $上的分解式为$ A = A_0 + A_1 i + A_2 j + A_3 k, B = B_0 + B_1 i + B_2 j + B_3 k, C = C_0 + C_1 i + C_2 j + C_3 k $, 其中$ A_i , B_i , C_i \in {\rm {\bf R}}^{n\times n}(i = 0, 1, 2, 3) $, 则四元数体上Sylvester方程
等价于
将(2.2)式左边展开, 并根据四元数矩阵实分解的唯一性, 可得
由于$ X_i \in {\rm {\bf R}}^{n\times n}(i = 0, 1, 2, 3) $均是实Toeplitz矩阵, 因此由引理1.1可得
其中$ T_n $如(1.3)式所示.记
由于(2.4)式等价于
因此方程组(2.3)等价于
此外, 利用矩阵Frobenius范数可得
于是, 关于问题Ⅰ–Ⅱ的解, 有如下的结果.
定理2.1 给定四元数矩阵$ A, B, C \in {\rm {\bf Q}}^{n\times n} $, 则Sylvester方程(2.1)存在四元数Toeplitz解的充要条件是$ \tilde {G}\tilde {G}^ + L = L $.有解时, 它的一般Toeplitz解为
无解时, 它的最小二乘Toeplitz解仍为(2.8)式, 其中
这里$ \tilde {G} \in {\rm {\bf R}}^{4n^2\times 4(2n - 1)}, L \in {\rm {\bf R}}^{4(2n - 1)\times 1} $如(2.5)式所示, $ v(1:2n - 1) $表示由向量的第$ 1 $至$ 2n - 1 $个元素组成的$ 2n - 1 $维向量.
证 由方程组(2.6)及引理1.2可得, 方程组(2.1)存在四元数Toeplitz解$ \Leftrightarrow $方程组(2.6)有解$ \Leftrightarrow \tilde {G}\tilde {G}^ + L = L $.有解时, (2.1)的Toeplitz解显然由(2.8)式给出.无解时, 由(2.7)式可得$ \vert \vert AX - XB - C\vert \vert = \min \Leftrightarrow \vert \vert \tilde {G}v - L\vert \vert = \min $.因此(2.1)式的最小二乘Toeplitz解仍为(2.8)式.证毕.
设问题I的解集$ S_E \ne \emptyset $, $ M \in \mbox{TQ}^{n\times n} $是已知Toeplitz矩阵, 现将$ M $作实分解$ M = M_0 + M_1 i + M_2 j + M_3 k, $其中$ M_i \in {\rm {\bf R}}^{n\times n}(i = 0, 1, 2, 3) $均是实Toeplitz矩阵.记
则有
其中
于是关于问题Ⅲ, 有如下结果.
定理3.1 设问题Ⅰ的解集$ S_E \ne \emptyset $, $ M \in \mbox{TQ}^{n\times n} $是已知四元数Toeplitz矩阵, 则在$ S_E $中使得$ \vert \vert X - M\vert \vert = \min $的解$ \tilde {X} $存在, 且有如下表达式
这里的符号意义与前面所示相同.
证 当$ X \in S_E $时, 根据定理2.1及(3.2)式可知$ {\vert \vert }X - M{\vert \vert }^2 = \min \Leftrightarrow {\vert \vert }(\hat {T}^\ast \hat {T})^{ {1 \over 2}}[\tilde {G}^ + L + (I - \tilde {G}^ + \tilde {G})Y - v_M {]\vert \vert }^2 = \min , $其中$ \hat {T}^\ast \hat {T} $是一个正对角矩阵.当$ \tilde {G}^ + \tilde {G} \ne I $时, 由引理1.2, 上式关于$ Y $的最小二乘解为$ \tilde {Y} = [(\hat {T}^\ast \hat {T})^{ {1 \over 2}}(I - \tilde {G}^ + \tilde {G})]^ + (\hat {T}^\ast \hat {T})^{ {1 \over 2}}(v_M - \tilde {G}^ + L), $当$ \tilde {G}^ + \tilde {G} = I $时, (2.1)存在唯一解$ \tilde {v} = \tilde {G}^ + L $, 因此不论哪种情况均有
于是存在$ \tilde {X} \in S_E $使得$ \vert \vert X - M\vert \vert = \min $成立, 并且$ \tilde {X} $由(3.3)式给出.证毕.
根据定理2.1和定理3.1, 我们给出问题Ⅰ–Ⅲ的求解步骤:
步1 写出四元数矩阵$ A, B, C $的实分解式, 即$ A = A_0 + A_1 i + A_2 j + A_3 k, B = B_0 + B_1 i + B_2 j + B_3 k, C = C_0 + C_1 i + C_2 j + C_3 k. $
步2 按(2.5)式写出实矩阵$ \tilde {G} $和实向量$ L $.
步3 检验条件$ \tilde {G}\tilde {G}^ + L = L $是否成立.
ⅰ)若条件成立, 说明问题Ⅰ有解, 并按(2.8)式写出其Toeplitz解集$ S_E $;
ⅱ)若条件不成立, 说明问题Ⅰ无解, 此时问题Ⅱ的最小二乘Toeplitz解集仍为$ S_E $.
步4 在问题Ⅰ有解时, 对给定的四元数Toeplitz矩阵$ M $, 按(3.1)式写出对应的实向量$ v_M . $
步5 按(3.3)式写出问题Ⅲ的最佳逼近解$ \tilde {X} $, 即由$ \mbox{vec}(X_i ) = T_n \cdot l(X_i ), i = 0, 1, 2, 3 $, 可得出4个实Toeplitz矩阵$ X_i , i = 0, 1, 2, 3 $, 从而获得$ \tilde {X} = X_0 + X_1 i + X_2 j + X_3 k. $
算例 给定下列四元数矩阵
试讨论Sylvester方程(2.1)的Toeplitz解的存在性.
解 四元数矩阵$ A, B, C $的实分解矩阵分别为
按(2.5)式写出实矩阵$ \tilde {G} $和实向量$ L $并直接计算可知$ \tilde {G}\tilde {G}^ + L = L $且$ \tilde {G}^ + \tilde {G} = I $, 因此根据定理2.1, 所给的Sylvester方程(2.1)存在唯一Toeplitz解$ X $, 且由公式(2.8)可得
本文提出一种判断四元数Sylvester方程是否具有Toeplitz约束解的方法.我们根据Toeplitz矩阵的结构特点, 给出四元数Toeplitz矩阵的新刻划.利用四元数矩阵的实分解和矩阵的Kronecker积, 把约束方程问题转化为无约束方程问题, 解决了四元数乘法非交换的限制, 得到了四元数Sylvester方程具有Toeplitz解的充要条件, 以及它的Toeplitz解集和最小二乘解集$ S_E $.此外, 利用矩阵Frobenius范数性质, 在Toeplitz解集$ S_E \ne \emptyset $的条件下, 获得$ S_E $与预先给定的四元数Toeplitz矩阵$ M $有极小Frobenius范数的最佳逼近解.本文结果可为解决相关约束四元数矩阵方程问题提供有益参考.