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第 }卷第 期
年 月
淮阴师范学院学报自然科学
JOURNAL OF HUAIYIN TEACHERS COLLEGE Natural Science
Vol N No }
Feb
矩 阵 方 程 组 中 心 对 称 最 小 二 乘 解 的 迭 代 算 法
陈世军
福建工程学院 软件学院 福建 福州
摘 要 建立了求矩阵方程组 A
i
XB
i
C
i
XD
i
F
i
i 中心对称最小二乘解的迭代算法
如果忽略舍入误差 对任意给定的初始中心对称矩阵 该算法能够在有限步迭代计算后得到此
方程组的中心对称最小二乘解 给定特殊的初始矩阵可得到极小范数中心对称最小二乘解 另
外 在上述解集合中也可得到给定矩阵的最佳逼近矩阵的表达式
关键词 迭代算法 中心对称 最小二乘解 最佳逼近
中图分类号 O 文献标识码 A 文章编号
收稿日期
作者简介 陈世军 男 江西瑞金人 硕士研究生 研究方向为矩阵方程
引言与引理
用 R
m
n
表示实 m
n 矩阵的集合 SR
n
n
表示 n 阶实对称矩阵的集合 RA 表示矩阵 A 的值域
vecA 表示将矩阵 A 按行拉直构成的列向量 A
B 表示矩阵A 与 B 的Kronecker 积 对于 A B
R
n
n
定义 A 与 B 的内积为A B
trA
T
B 由此导出的范数 A
A A 为矩阵 A 的 Frobenius 范
数 记 S
e
n
e
n
e
其中 e
i
为 n 阶单位矩阵 I
n
的第 i 列 易知 S
T
S
I S
T
S
定义 若矩阵 X
x
ij
n
n
R
n
n
的元素满足 x
ij
x
n
i n
j
i j
n 则称 X 为中
心对称矩阵 全体 n 阶中心对称矩阵的集合记为 CSR
n
n
本文讨论矩阵方程组
A
i
XB
i
C
i
XD
i
F
i
i
的下列问题
问题 I 给定 A
i
B
i
C
i
D
i
F
i
R
n
n
i
求 X
CSR
n
n
使得
i
A
i
XB
i
C
i
XD
i
F
i
min
问题 II 给定
X
R
n
n
S
E
表示问题 I 的解集合 求
X
S
E
使得
X
X
min
X
S
E
X
X
矩阵方程组特殊解的求解问题在光子光谱学 结构动力学和自动控制理论等领域都有重要应用 线性矩
阵方程组的求解问题是数值代数方面的重要部分 比较成熟的算法
多种多样 本文借鉴共轭梯度法
的思想 建立了一种变形共轭梯度法 解决了方程组 的中心对称最小二乘解及最佳逼近矩阵的计算
问题 当方程组 有中心对称解时 求其中心对称最小二乘解等同于求中心对称解
引理 设 A
R
n
n
则 A
CSR
n
n
的充分必要条件是 SAS
A
引进记号 g
i
X
A
i
XB
i
C
i
XD
i
i
定理 求解问题 I 等价于求矩阵方程
i
A
T
i
g
i
X B
T
i
C
T
i
g
i
XD
T
i
SA
T
i
g
i
SXSB
T
i
S
SC
T
i
g
i
SXSD
T
i
S
H
的中心对称解 且矩阵方程 一定有中心对称解 其中
H
i
T
i
F
i
T
i
S
T
i
F
i
T
i
S
C
T
i
F
i
D
T
i
SC
T
i
F
i
D
T
i
S
证 当 X
CSR
n
n
时 由引理 知 X
SXS 因此 求 X
CSR
n
n
使得
i
A
i
XB
i
C
i
XD
i
F
i
min
等价于求 X
CSR
n
n
使得
i
A
i
XB
i
C
i
XD
i
F
i
A
i
SXSB
i
C
i
SXSD
i
F
i
min
下面证明求解极小值问题 等价于求解矩阵方程 考虑矩阵方程组
A
XB
C
XD
F
A
SXSB
C
SXSD
F
A
XB
C
XD
F
A
SXSB
C
SXSD
F
将矩阵方程组 按行拉直可得线性方程组
A
B
T
C
D
T
A
S
B
T
S
C
S
D
T
S
A
B
T
C
D
T
A
S
B
T
S
C
S
D
T
S
vecX
vec F
vec F
vec F
vec F
易见 求线性方程组 的最小二乘解等价于求矩阵方程组 的最小二乘解 即求极小值问题
的解 线性方程组 的正规方程组为
i
A
T
i
A
i
B
i
B
T
i
A
T
i
C
i
B
i
D
T
i
C
T
i
A
i
D
i
B
T
i
C
T
i
C
i
D
i
D
T
i
SA
T
i
A
i
S
SB
i
B
T
i
S
SA
T
i
C
i
S
SB
i
D
T
i
S
SC
T
i
A
i
S
SD
i
B
T
i
S
SC
T
i
C
i
S
SD
i
D
T
i
S
vecX
i
A
T
i
B
i
C
T
i
D
i
SA
T
i
SB
i
SC
T
i
SD
i
vec F
i
vec F
i
将线性方程组 还原即得矩阵方程
综上所述 求解问题 I 等价于求矩阵方程 的中心对称解 下面证明矩阵方程 有中心对称解
因为正规方程组 有解 所以矩阵方程 有解 设
X 是它的一个解未必中心对称 那么
i
A
T
i
g
i
X B
T
i
C
T
i
g
i
X D
T
i
SA
T
i
g
i
S
XSB
T
i
S
SC
T
i
g
i
S
XSD
T
i
S
H
令 u
X
X
S
XS
v
X
X
S
XS
则有
X
u
X
v
X 将该关系式代入 式 整理可得
i
A
T
i
g
i
u
X B
T
i
C
T
i
g
i
u
X D
T
i
SA
T
i
g
i
Su
X SB
T
i
S
SC
T
i
g
i
Su
X SD
T
i
S
H
由引理 可得 u
X
CSR
n
n
这表明 式有中心对称解 证毕
求解问题 I 的迭代算法
为了讨论方便 引进记号
fX
i
A
T
i
g
i
XB
T
i
C
T
i
g
i
X D
T
i
SA
T
i
g
i
SXSB
T
i
S
SC
T
i
g
i
SXSD
T
i
S
下面建立求矩阵方程 的中心对称解 即求解问题 I 的迭代算法算法
第 步 任取初始矩阵 X
CSR
n
n
计算
淮阴师范学院学报自然科学 第 卷
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