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3阶对角占优张量的子直和

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何建锋. 3阶对角占优张量的子直和[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2020, 45(10): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2020.10.001
引用本文: 何建锋. 3阶对角占优张量的子直和[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2020, 45(10): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2020.10.001
Jian-feng HE. On Subdirect Sums of Third-Order Diagonally Dominant Tensors[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2020, 45(10): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2020.10.001
Citation: Jian-feng HE. On Subdirect Sums of Third-Order Diagonally Dominant Tensors[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2020, 45(10): 1-7. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2020.10.001

3阶对角占优张量的子直和

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(61463002);云南省教育厅科学研究基金项目(2019J0399)
详细信息
    作者简介:

    何建锋(1974-),男,副教授,主要从事矩阵理论的研究 .

  • 中图分类号: O151.21

On Subdirect Sums of Third-Order Diagonally Dominant Tensors

  • 摘要: 利用矩阵与张量之间的联系,将矩阵子直和的概念推广到张量上,定义了张量的子直和.讨论3阶严格对角占优张量的k-子直和仍然是严格对角占优张量,给出3阶S-严格对角占优型张量的k-子直和为S-严格对角占优型张量的条件,并举例说明.
  • 方阵的k-子直和是矩阵和的推广,在许多应用中均有出现,例如矩阵完全化问题、区域分解方法中的重叠子域、有限元中的整体刚度矩阵等[1-3].文献[4]引入了方阵k-子直和的概念,并对其进行了相关研究,证明了正定矩阵的子直和是正定矩阵,对称M-矩阵的子直和是对称M-矩阵等结论.关于方阵k-子直和的一些新的研究成果可参考文献[5-11].

    张量是矩阵的高阶推广,在许多科学领域,如信号图像处理[12]、非线性优化[13]、高阶统计学[14]、物理学中的弹性分析[15-16]和数据挖掘与处理等领域都有重要的应用.有关张量的研究成果可参考文献[17-21],关于张量的更多文献不在此逐一赘述.

    A=(ai1im),其中ai1imC(R),ij=1,…,nj=1,…,m,则称A为一个mn维的复(实)张量,记作AC[mn](R[mn]).

    鉴于矩阵与张量之间的关系,本文将矩阵子直和的概念推广到张量上,提出张量子直和的概念,并讨论SDD张量、S-SDD-型张量子直和的性质.

    为方便讨论,引入以下符号:

    [n]={1,2,,n}S1=[mk]={1,2,,mk}t=mk
    S2=[m]S1={mk+1,,m}S3=[m+nk][m]={m+1,,m+nk}
    ΔS={(i2i3im):ijS,j=2,,m}rΔSi(A)=(i2im)ΔSδii2im=0|aii2im|
    δi1im={1i1==im0

    本节给出张量子直和及相关概念的定义.

    定义1[17]  设张量A=(ai1i2im)∈R[mn],且满足

    aiiii2,,im[n]|aii2im|aiiii[n]

    则称A为对角占优张量.

    若对每个i∈[n],有

    aiii>i2,,im[n]|aii2im|aiii

    则称A为严格对角占优张量,简记为SDD张量.

    定义2  设张量A=(ai1im)∈R[mn]n≥2,S是[n]的一个真子集,张量A满足以下两个条件:

    (a) |aii|≥(>)riΔS(A),∀iS

    (b) (|aii|-riΔS(A))(|ajj|-rjΔS(A))≥(>)riΔS(A)rjΔS(A),∀iS,∀jS.

    则称张量AS-对角占优型张量(S-严格对角占优型张量),简记为S-SDD0-型张量(S-SDD-型张量).

    定义3  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]B=(bi1i2i3)∈R[3,n],1≤k≤min{mn},称张量

    C=(ci1i2i3)R[3,m+nk]

    为张量A与张量Bk-阶子直和,记为AkB,其中

    ci1i2i3={ai1i2i3i1,i2S1S2,i3S1ai1i2i3i1S1,i2S1S2,i3S2ai1i2i3i1S2,i2S1,i3S2ai1i2i3+b(i1t)(i2t)(i3t)i1,i2S2,i3S2b(i1t)(i2t)(i3t)i1S2,i2S3,i3S2b(i1t)(i2t)(i3t)i1S3,i2S2S3,i3S2b(i1t)(i2t)(i3t)i1,i2S2S3,i3S30

    例1  设张量A=[A(1,:,:),A(2,:,:),A(3,:,:)],B=[B(1,:,:),B(2,:,:),B(3,:,:)]∈R[3, 3],其中

    A(1,;,:)=[102111210]A(2,:,:)=[211010101]A(3,:,:)=[111312221]
    B(1,:,:)=[314001212]B(2,:,:)=[201151103]B(3,:,:)=[101441323]

    则张量A与张量B的2-阶子直和为

    C=A2B=[C(1,:,:),C(2,:,:),C(3,:,:),C(4,:,:)]R[3,4]

    其中

    C(1,:,:)=(1020111021000000)C(2,:,:)=(2110041410110212)
    C(3,:,:)=(1110332123610103)C(4,:,:)=(0000010104410323)

    本节我们讨论(严格)对角占优张量(S-(严格)对角占优型张量)的子直和仍然为(严格)对角占优张量(S-(严格)对角占优型张量)的条件.

    定理1  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]B=(bi1i2i3)∈R[3,n]均为对角占优张量,1≤k≤min{mn},且aiiibjjj>0,∀iS2,∀j∈[k],则张量A与张量Bk-阶子直和C=AkB也是对角占优张量.

     当i1S1时,

    ci1i2i3={ai1i2i3i2,i3S1S20

    故有

    ii1i1i1=ai1i1i1i2,i3S1S2|ai1i2i3|ai1i1i1=i2,i3S1S2S3|ci1i2i3|ci1i1i1

    i1S2时,

    ci1i2i3={ai1i2i3i2S1S2,i3S1ai1i2i3i2S1,i3S2ai1i2i3+b(i1t)(i2t)(i3t)i2,i3S2b(i1t)(i2t)(i3t)i2S3,i3S2b(i1t)(i2t)(i3t)i2S2S3,i3S30

    故有

    ci1i1i1=ai1i1i1+bi1i1i1(i2,i3S1S2|ai1i2i3|ai1i1i1)+(i2,i3S1|b(i1t)i2i3|b(i1t)(i1t)(i1t))=(i2,i3S1S2|ai1i2i3|+i2,i3S1|b(i1t)i2i3|)(ai1i1i1+b(i1t)(i1t)(i1t))=i2,i3S2|ci1i2i3|ci1i1i1

    i1S3时,

    ci1i2i3={b(i1t)(i2t)(i3t)i2,i3S2S30

    故有

    ci1i1i1=b(i1t)(i1t)(i1t)i2,i3[n][k]|b(i1t)i2i3|b(i1t)(i1t)(i1t)=i2,i3S1S2S3|ci1i2i3|ci1i1i1

    综合以上3种情形可知,结论成立.

    例2  设张量A=[A(1,:,:),A(2,:,:),A(3,:,:)],B=[B(1,:,:),B(2,:,:),B(3,:,:)],其中

    A(1,:,:)=[1011201310]A(2,:,:)=[2121111021]A(3,:,:)=[2211221112]
    B(1,:,:)=[1530133031]B(2,:,:)=[1420131202]B(3,:,:)=[010101228]

    易知张量AB均为对角占优张量,而张量A与张量B的2-阶子直和为

    C=A2B=[C(1,:,:),C(2,:,:),C(3,:,:),C(4,:,:)]

    其中

    C(1,:,:)=(10110201031000000)C(2,:,:)=(21201264005430031)
    C(3,:,:)=(21102352122510202)C(4,:,:)=(0000001001010228)

    计算知

    c111=109=i2,i3[4]|c1i2i3|c111c222=2626=i2,i3[4]|c2i2i3|c222
    c333=2524=i2,i3[4]|c3i2i3|c333c444=87=i2,i3[4]|c4i2i3|c444

    故张量C为对角占优张量.

    类似定理1的证明可得如下结论:

    定理2 看设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]B=(bi1i2i3)∈R[3,n]均为严格对角占优张量,1≤k≤min{mn},且aiiibjjj>0,∀iS2,∀j∈[k],则张量A与张量Bk-阶子直和也是严格对角占优张量.

    下面讨论S-SDD-型张量的子直和.先看一个例子.

    例3  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3, 4],其中

    A(1,:,:)=(2.60.10.10.020.10.20.10.020.10.10.20.030.020.030.030.04)A(2,:,:)=(0.400.10.102.60.10.10.10.10.10.10.10.10.10.1)
    A(3,:,:)=(0.60.200.10.20.300.1002.20.20.10.10.20.2)A(4,:,:)=(0.80.20.100.20.30.100.10.10.100002.2)

    S={1,2},由于

    |a111|=2.6>0.4=rΔS1(A)|a222|=2.6>0.4=rΔS2(A)
    (|a111|rΔS1(A))(|a333|rΔˉS3(A))=3.25>0.39=rΔˉS1(A)rΔS3(A)
    |a111|rΔS1(A))(|a444|rΔˉS4(A))=4.62>0.45=rΔˉS1(A)rΔS4(A)
    |a222|rΔS2(A))(|a333|rΔS3(A))=3.52>0.52=rΔˉS2(A)rΔS3(A)
    |a222|rΔS2(A))(|a444|rΔˉS4(A))=4.62>0.46=rΔˉS2(A)rΔS4(A)

    A为{1,2}-SDD-型张量.但是对于张量C=A2A,其中

    C(1,:,:)=(2.60.10.10.02000.10.20.10.02000.10.10.20.03000.020.030.030.0400000000000000)C(2,:,:)=(0.400.10.10002.60.10.1000.10.10.10.1000.10.10.10.100000000000000)
    C(3,:,:)=(0.60.200.1000.20.300.100004.80.30.10.020.10.10.30.40.10.02000.10.10.20.03000.020.030.030.04)C(4,:,:)=(0.80.20.10000.20.30.10000.10.10.500.10.10004.80.10.1000.10.10.10.1000.10.10.10.1)
    C(5,:,:)=(000000000000000.60.200.1000.20.300.100002.20.2000.10.10.20.2)C(6,:,:)=(000000000000000.80.20.10000.20.30.10000.10.10.10000002.2)

    i=1,j=5时,有

    (|c111|rΔS1(C))(|c555|rΔˉS5(C))=0.22<0=rΔˉS1(C)rΔS5(C)

    即张量C不是{1,2}-SDD-型张量.

    例3表明,S-SDD-型张量的子直和不一定是S-SDD-型张量.因此,寻找S-SDD-型张量的子直和仍然为S-SDD-型张量的条件是有意义的.

    定理3  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]S-SDD-型张量,SS1的子集,B=(bi1i2i3)∈R[3,n]为SDD张量,1≤k≤min{mn},aiii>0,∀iS2bjjj>0,j∈[k],则张量A与张量Bk-阶子直和C=AkB也是S-SDD-型张量.

      先证明S=S1时的情形.

    要证明CS-SDD-型张量,需证明:

    (i) |ciii|>riΔS(C),∀iS

    (ii) (|ciii|-riΔS(C))(|cjjj|-rjΔS(C))>riΔS(C)rjΔS(C),∀iS,∀jS.

    此时,由于S=S1,则S=S2S3.下面逐一证明这两个条件成立.

    (i) 由张量AS-SDD-型张量知|aiii|>riΔS(A),∀iS1,从而有

    |ciii|=|aiii|>rΔSi(A)=rΔSi(C)iS1

    (ii) 当jS2时,由iS=S1,有

    rΔSi(C)=rΔSi(A)rΔSj(C)=rΔSj(A)
    rΔˉSj(C)=rΔˉSj(A)+rjt(B)rΔˉSi(C)=rΔˉSi(A)

    由张量AS-SDD-型张量得

    (|aiii|rΔSi(A))(|ajji|rΔˉSj(A))>rΔˉSi(A)rΔSj(A)iS,jˉS

    又因B为SDD张量,故|biii|>ri(B),∀i∈[n].从而有

    (|ciii|rΔSi(C))(|cjjj|rΔˉSj(C))=(|aiii|rΔSi(A))(|ajjj+b(jt)(jt)(jt)|rΔˉSj(A)rjt(B))=(|aiii|rΔSi(A))((|ajjj|rΔˉSj(A))+(|b(jt)(jt)(jt)|rjt(B)))>(|aiii|rΔSi(A))(|ajji|rΔˉSj(A))>rΔˉSi(A)rΔSj(A)=rΔˉSi(C)rΔSj(C)

    jS3时,由iS=S1rjΔS(C)=0,rjΔS(C)=rjtΔS(B),故

    (|ciii|rΔSi(C))(|cjjj|rΔˉSj(C))=(|aiii|rΔSi(A))(|b(jt)(jt)(jt)|rΔˉSj(B))>0=rΔˉSi(C)rΔSj(C)

    综上所述,可知结论成立.

    当|S| < |S1|时,可类似证明结论成立.

    例4  取例3中的S-SDD-型张量A,例2中的SDD张量BS={1,2},则C=A2B=[C(1,:,:),C(2,:,:),C(3,:,:),C(4,:,:),C(5,:,:)],其中

    C(1,:,:)=[2.60.10.10.0200.10.20.10.0200.10.10.20.0300.020.030.030.04000000]C(2,:,:)=[0.400.10.1002.60.10.100.10.10.10.100.10.10.10.1000000]
    C(3,:,:)=[0.60.200.100.20.300.100017.23.210.10.11.23.2300030]C(4,:,:)=[0.80.20.1000.20.30.1000.10.11.10200015.2100242]
    C(5,:,:)=[0000000000000100010100228]

    由于

    |c111|=2.6>0.4=rΔS1(C)|c222|=2.6>0.4=rΔS2(C)
    (|c111|rΔS1(C))(|c333|rΔˉS3(C))=5.72>0.39=rΔˉS1(C)rΔS3(C)
    (|c111|rΔS1(C))(|c444|rΔˉS4(C))=6.82>0.45=rΔˉS1(C)rΔS4(C)
    (|c111|rΔS1(C))(|c555|rΔˉS5(C))=2.2>0=rΔˉS1(C)rΔS5(C)
    (|c222|rΔS2(C))(|c333|rΔˉS3(C))=5.72>0.52=rΔˉS2(C)rΔS3(C)
    (|c222|rΔS2(C))(|c444|rΔˉS4(C))=6.82>0.6=rΔˉS2(C)rΔS4(C)
    (|c222|rΔS2(C))(|c555|rΔˉS5(C))=2.2>0=rΔˉS2(C)rΔS5(C)

    所以,张量CS-SDD-型张量.

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-21
  • 刊出日期:  2020-10-20

3阶对角占优张量的子直和

    作者简介: 何建锋(1974-),男,副教授,主要从事矩阵理论的研究
  • 楚雄师范学院 数学与统计学院,云南 楚雄 675000
基金项目:  国家自然科学基金项目(61463002);云南省教育厅科学研究基金项目(2019J0399)

摘要: 利用矩阵与张量之间的联系,将矩阵子直和的概念推广到张量上,定义了张量的子直和.讨论3阶严格对角占优张量的k-子直和仍然是严格对角占优张量,给出3阶S-严格对角占优型张量的k-子直和为S-严格对角占优型张量的条件,并举例说明.

English Abstract

  • 方阵的k-子直和是矩阵和的推广,在许多应用中均有出现,例如矩阵完全化问题、区域分解方法中的重叠子域、有限元中的整体刚度矩阵等[1-3].文献[4]引入了方阵k-子直和的概念,并对其进行了相关研究,证明了正定矩阵的子直和是正定矩阵,对称M-矩阵的子直和是对称M-矩阵等结论.关于方阵k-子直和的一些新的研究成果可参考文献[5-11].

    张量是矩阵的高阶推广,在许多科学领域,如信号图像处理[12]、非线性优化[13]、高阶统计学[14]、物理学中的弹性分析[15-16]和数据挖掘与处理等领域都有重要的应用.有关张量的研究成果可参考文献[17-21],关于张量的更多文献不在此逐一赘述.

    A=(ai1im),其中ai1imC(R),ij=1,…,nj=1,…,m,则称A为一个mn维的复(实)张量,记作AC[mn](R[mn]).

    鉴于矩阵与张量之间的关系,本文将矩阵子直和的概念推广到张量上,提出张量子直和的概念,并讨论SDD张量、S-SDD-型张量子直和的性质.

    为方便讨论,引入以下符号:

  • 本节给出张量子直和及相关概念的定义.

    定义1[17]  设张量A=(ai1i2im)∈R[mn],且满足

    则称A为对角占优张量.

    若对每个i∈[n],有

    则称A为严格对角占优张量,简记为SDD张量.

    定义2  设张量A=(ai1im)∈R[mn]n≥2,S是[n]的一个真子集,张量A满足以下两个条件:

    (a) |aii|≥(>)riΔS(A),∀iS

    (b) (|aii|-riΔS(A))(|ajj|-rjΔS(A))≥(>)riΔS(A)rjΔS(A),∀iS,∀jS.

    则称张量AS-对角占优型张量(S-严格对角占优型张量),简记为S-SDD0-型张量(S-SDD-型张量).

    定义3  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]B=(bi1i2i3)∈R[3,n],1≤k≤min{mn},称张量

    为张量A与张量Bk-阶子直和,记为AkB,其中

    例1  设张量A=[A(1,:,:),A(2,:,:),A(3,:,:)],B=[B(1,:,:),B(2,:,:),B(3,:,:)]∈R[3, 3],其中

    则张量A与张量B的2-阶子直和为

    其中

  • 本节我们讨论(严格)对角占优张量(S-(严格)对角占优型张量)的子直和仍然为(严格)对角占优张量(S-(严格)对角占优型张量)的条件.

    定理1  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]B=(bi1i2i3)∈R[3,n]均为对角占优张量,1≤k≤min{mn},且aiiibjjj>0,∀iS2,∀j∈[k],则张量A与张量Bk-阶子直和C=AkB也是对角占优张量.

     当i1S1时,

    故有

    i1S2时,

    故有

    i1S3时,

    故有

    综合以上3种情形可知,结论成立.

    例2  设张量A=[A(1,:,:),A(2,:,:),A(3,:,:)],B=[B(1,:,:),B(2,:,:),B(3,:,:)],其中

    易知张量AB均为对角占优张量,而张量A与张量B的2-阶子直和为

    其中

    计算知

    故张量C为对角占优张量.

    类似定理1的证明可得如下结论:

    定理2 看设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]B=(bi1i2i3)∈R[3,n]均为严格对角占优张量,1≤k≤min{mn},且aiiibjjj>0,∀iS2,∀j∈[k],则张量A与张量Bk-阶子直和也是严格对角占优张量.

    下面讨论S-SDD-型张量的子直和.先看一个例子.

    例3  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3, 4],其中

    S={1,2},由于

    A为{1,2}-SDD-型张量.但是对于张量C=A2A,其中

    i=1,j=5时,有

    即张量C不是{1,2}-SDD-型张量.

    例3表明,S-SDD-型张量的子直和不一定是S-SDD-型张量.因此,寻找S-SDD-型张量的子直和仍然为S-SDD-型张量的条件是有意义的.

    定理3  设张量A=(ai1i2i3)∈R[3,m]S-SDD-型张量,SS1的子集,B=(bi1i2i3)∈R[3,n]为SDD张量,1≤k≤min{mn},aiii>0,∀iS2bjjj>0,j∈[k],则张量A与张量Bk-阶子直和C=AkB也是S-SDD-型张量.

      先证明S=S1时的情形.

    要证明CS-SDD-型张量,需证明:

    (i) |ciii|>riΔS(C),∀iS

    (ii) (|ciii|-riΔS(C))(|cjjj|-rjΔS(C))>riΔS(C)rjΔS(C),∀iS,∀jS.

    此时,由于S=S1,则S=S2S3.下面逐一证明这两个条件成立.

    (i) 由张量AS-SDD-型张量知|aiii|>riΔS(A),∀iS1,从而有

    (ii) 当jS2时,由iS=S1,有

    由张量AS-SDD-型张量得

    又因B为SDD张量,故|biii|>ri(B),∀i∈[n].从而有

    jS3时,由iS=S1rjΔS(C)=0,rjΔS(C)=rjtΔS(B),故

    综上所述,可知结论成立.

    当|S| < |S1|时,可类似证明结论成立.

    例4  取例3中的S-SDD-型张量A,例2中的SDD张量BS={1,2},则C=A2B=[C(1,:,:),C(2,:,:),C(3,:,:),C(4,:,:),C(5,:,:)],其中

    由于

    所以,张量CS-SDD-型张量.

参考文献 (21)

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