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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.
令A=(ai1…im),其中ai1…im∈
C (R ),ij=1,…,n,j=1,…,m,则称A为一个m阶n维的复(实)张量,记作A∈C[m,n](R[m,n]).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:
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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=(ai1i2…im)∈R[m,n],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=(ai1…im)∈R[m,n],n≥2,S是[n]的一个真子集,张量A满足以下两个条件:
(a) |ai…i|≥(>)riΔS(A),∀i∈S;
(b) (|ai…i|-riΔS(A))(|aj…j|-rjΔS(A))≥(>)riΔS(A)rjΔS(A),∀i∈S,∀j∈S.
则称张量A为S-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{m,n},称张量
为张量A与张量B的k-阶子直和,记为A
⊕ kB,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
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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{m,n},且aiiibjjj>0,∀i∈S2,∀j∈[k],则张量A与张量B的k-阶子直和C=A
⊕ kB也是对角占优张量.证 当i1∈S1时,
故有
当i1∈S2时,
故有
当i1∈S3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A,B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{m,n},且aiiibjjj>0,∀i∈S2,∀j∈[k],则张量A与张量B的k-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.
取S={1,2},由于
即A为{1,2}-SDD-型张量.但是对于张量C=A
⊕ 2A,其中当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]为S-SDD-型张量,S为S1的子集,B=(bi1i2i3)∈R[3,n]为SDD张量,1≤k≤min{m,n},aiii>0,∀i∈S2,bjjj>0,j∈[k],则张量A与张量B的k-阶子直和C=A
⊕ kB也是S-SDD-型张量.证 先证明S=S1时的情形.
要证明C是S-SDD-型张量,需证明:
(i) |ciii|>riΔS(C),∀i∈S;
(ii) (|ciii|-riΔS(C))(|cjjj|-rjΔS(C))>riΔS(C)rjΔS(C),∀i∈S,∀j∈S.
此时,由于S=S1,则S=S2∪S3.下面逐一证明这两个条件成立.
(i) 由张量A为S-SDD-型张量知|aiii|>riΔS(A),∀i∈S1,从而有
(ii) 当j∈S2时,由i∈S=S1,有
由张量A为S-SDD-型张量得
又因B为SDD张量,故|biii|>ri(B),∀i∈[n].从而有
当j∈S3时,由i∈S=S1知rjΔS(C)=0,rjΔS(C)=rj-tΔS(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B,S={1,2},则C=A
⊕ 2B=[C(1,:,:),C(2,:,:),C(3,:,:),C(4,:,:),C(5,:,:)],其中由于
所以,张量C为S-SDD-型张量.