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      Max-plus代數(shù)中analogy-transitive矩陣及其本征問(wèn)題

      2014-02-03 06:34:01王繪莉舒乾宇王學(xué)平
      關(guān)鍵詞:本征復(fù)雜度定理

      王繪莉, 舒乾宇, 王學(xué)平

      (四川師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與軟件科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610066)

      多機(jī)器交互生產(chǎn)過(guò)程是一類較為典型的管理應(yīng)用.當(dāng)該過(guò)程是多步生產(chǎn)問(wèn)題時(shí),描述該系統(tǒng)的定態(tài)問(wèn)題即為max-plus代數(shù)上矩陣的本征問(wèn)題.一般情況下,解決這類本征問(wèn)題的算法大小為O(n3)[1].繼文獻(xiàn)[1]之后,max-plus代數(shù)上矩陣的本征問(wèn)題被很多學(xué)者關(guān)注并深入研究.特別地,對(duì)于一些特殊形式的矩陣,計(jì)算本征問(wèn)題的算法復(fù)雜度較一般情況有所降低[5-14].因此從降低算法復(fù)雜度的角度考慮研究特殊矩陣的本征問(wèn)題是有重大意義的.P. Butkovicˇ等[5]給出一個(gè)O(n2)的算法計(jì)算雙值矩陣的極大圈平均.M. Gavalec等[6]給出一個(gè)O(n2)的算法計(jì)算Monge矩陣的極大圈平均.J. Plavka[7-9]討論了循環(huán)矩陣的本征問(wèn)題、Monotone-Toeplitz矩陣的本征問(wèn)題和l-parametric本征問(wèn)題.K. Cechlrov[10]研究了interval矩陣的本征向量問(wèn)題.隨后M. Gavalec等[11]給出能夠計(jì)算出Monge矩陣的一個(gè)本征向量的算法.M. Gavalec等[12]給出最快解決極值雙參數(shù)本征問(wèn)題的算法.

      本文在max-plus代數(shù)上討論一類特殊的矩陣,即analogy-transitive矩陣.首先討論analogy-transitive矩陣的基本性質(zhì),給出判定一個(gè)矩陣是否為analogy-transitive矩陣的判定定理及算法,其算法復(fù)雜度為O(n2).其次討論該類矩陣的極大圈平均問(wèn)題、本征值本征向量問(wèn)題.

      1 預(yù)備知識(shí)

      如果A是一個(gè)方陣,則A的k次冪記作Ak,且

      Ak=A?Ak-1,

      接下來(lái)基于文獻(xiàn)[5]給出一些基本概念及符號(hào)說(shuō)明.設(shè)n是一個(gè)正整數(shù),Mn表示所有階為n的實(shí)矩陣的集合.Σ表示N={1,2,…,n}的子集的循環(huán)置換集(Σ中的元素稱為基本圈).設(shè)A=(aij)∈Mn,σ∈Σ,σ=(i1,…,ik),σ的權(quán)ω(σ,A)=ai1i2+ai2i3+…+aiki1,其中k稱為σ的長(zhǎng)度,記作l(σ).進(jìn)一步定義

      (1)

      λ(A)表示A的極大圈平均,即

      (2)

      由于Nc(A)中的元素在本征問(wèn)題中有非常重要的作用,因此稱為A的關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)或本征結(jié)點(diǎn).如果μ(σ,A)=λ(A),則σ稱為DA中的關(guān)鍵圈.如果i,j∈Nc(A)屬于同一個(gè)關(guān)鍵圈,則稱i、j是等價(jià)的,記作i~j,否則稱作是不等價(jià)的,記作ij.顯然~構(gòu)成一個(gè)在Nc(A)上的等價(jià)關(guān)系.A的關(guān)鍵圖C(A)由A的關(guān)鍵圈所在的弧及結(jié)點(diǎn)集N構(gòu)成.

      定理1.1[1]設(shè)A∈Mn,則λ(A)是A的唯一本征值.

      找本征值λ(A)的問(wèn)題已得到許多學(xué)者的廣泛討論,且給出不同的算法,其中較經(jīng)典的是1978年由Karp給出的大小為O(n3)的算法.

      設(shè)矩陣B∈Mn,記Δ(B)=B⊕B2⊕…⊕Bn.令A(yù)λ=(λ(A))-1?A,文獻(xiàn)[1]證明了矩陣Δ(Aλ)至少包含一個(gè)對(duì)角線元素為0的列向量,且每一個(gè)這樣的列向量都是A的本征向量,稱為基本本征向量.易知每一個(gè)基本本征向量的線性組合也是一個(gè)本征向量.

      記Δ(Aλ)=(γij)的列向量為g1,…,gn.由Δ(Aλ)的定義知γij表示DAλ中從i到j(luò)的最重路的權(quán).利用Floyd-Warshall算法,計(jì)算Δ(Aλ)需O(n3)步.因此找出Δ(Aλ)的列向量中所有的基本本征向量至多需要O(n3)步.由于A∈Mn,由定理2.1知λ(A)是A的唯一本征值,因此A的所有本征向量都對(duì)應(yīng)于本征值λ(A).記A的所有本征向量的集合為V(A),稱為A的本征空間,V(A)的維數(shù)記為pd(A).由以下2個(gè)定理易知pd(A)等于C(A)的關(guān)鍵分支的個(gè)數(shù),或者等于由A的所有基本本征向量所構(gòu)成的矩陣的列向量空間的任意一個(gè)基的基數(shù).已知計(jì)算一個(gè)矩陣的列向量空間的基的算法大小為O(n3)[15],那么計(jì)算pd(A)也需O(n3)步.

      引理1.1[15]設(shè)A∈Mn,如果x=(x1,…,xn)T∈V(A),則

      ?gj.

      定理1.2[1]設(shè)A∈Mn,如果i,j∈Nc(A),則存在某個(gè)α∈R使得gi=α?gj當(dāng)且僅當(dāng)i~j.

      定理1.3[1]設(shè)A∈Mn,則

      定理1.4[16]設(shè)A∈Mn,則V(A)是一個(gè)非平凡子空間且從(Nc(A),~)的每一個(gè)等價(jià)類中恰好取出一個(gè)向量gk便構(gòu)成V(A)的一個(gè)基.

      2 Analogy-transitive矩陣

      性質(zhì)2.1設(shè)A=(aij)為n階analogy-transitive矩陣,則有

      (i)?i∈N,aii=0;

      (ii)?1≤i,j≤n,aij=-aji.

      證明(i) ?i∈N,由analogy-transitive矩陣的定義有aii+aii=aii,即2aii=aii,則aii=0;

      (ii)若i=j,則由(i)的證明知aii=-aii=0.若i≠j,則由analogy-transitive矩陣的定義及(i)有aij+aji=aii=0,即aij=-aji.

      如果一個(gè)矩陣是analogy-transitive矩陣,則稱這個(gè)矩陣具有analogy-transitive性質(zhì).由analogy-transitive矩陣的定義及性質(zhì),給出一個(gè)判定analogy-transitive矩陣的充分必要條件.

      定理2.1A=(aij)∈Mn是analogy-transitive矩陣當(dāng)且僅當(dāng)

      (i)?i∈N,aii=0;

      (ii)?i,j∈N,i≠j,aij=-aji;

      (iii)?2≤i

      證明必要性已知A=(aij)∈Mn是analogy-transitive矩陣,則由性質(zhì)2.1知(i)、(ii)成立.由定義2.1,?i,j∈N,有a1i+aij=a1j,即aij=a1j-a1i.

      充分性由定義2.1,只需證明?i,j,k∈N,aik+akj=aij成立.以下分4種情況進(jìn)行證明.

      1)當(dāng)i=j=k時(shí),則由(i)有aii+aii=aii=0.

      2)當(dāng)i=k≠j或i≠j=k時(shí),不妨設(shè)i=k≠j,則aii+aij=0+aij=aij;當(dāng)i≠j=k時(shí)同理可證.

      3)當(dāng)i=j≠k時(shí),由(i)、(ii)有aik+aki=aik-aik=0=aii.

      4)當(dāng)i、j、k互不相等時(shí),若i=1,不妨設(shè)ki>1,則ai1+a1j=a1j-a1i=aij.

      若i、j、k均不等于1,不妨設(shè)i

      綜上,?i,j,k∈N,aik+akj=aij成立.

      由以上的analogy-transitive矩陣判定定理易知,任意1個(gè)analogy-transitive矩陣的所有元素只需由a12,a13…,a1n這n-1個(gè)元素完全刻畫,且刻畫是唯一的.反過(guò)來(lái),任意1個(gè)n-1維實(shí)向量x=(x1,x2,…,xn-1),令a12=x1,a13=x2,…,a1n=xn-1,則由判定定理中的(i)~(iii)可知a12,a13…,a1n可唯一確定1個(gè)analogy-transitive矩陣的所有元素,即n-1維實(shí)向量與analogy-transitive矩陣一一對(duì)應(yīng).

      事實(shí)上analogy-transitive矩陣的判定定理提供了一種判斷一個(gè)矩陣是否為analogy-transitive矩陣的算法.

      定理2.2設(shè)A=(aij)∈Mn,存在一種檢驗(yàn)A是否具有analogy-transitive性質(zhì)的算法,算法復(fù)雜度為O(n2).

      3 Analogy-transitive矩陣的本征問(wèn)題

      定理3.1設(shè)A=(aij)∈Mn是analogy-transitive矩陣,則λ(A)=0.

      證明設(shè)DA中任意長(zhǎng)度大于等于2的圈σ=(i1,i2,…,il,i1)(l≥2),

      ω(σ,A)=ai1i2+ai2i3+ai3i4…+ail-1il+aili1=

      ai1i3+ai3i4…+ail-1il+aili1=

      ai1i4+…+ail-1il+aili1=

      ?

      ai1i1=0,

      因此得

      再考慮所有自環(huán)?i∈N,aii=0,則

      λ(A)=0.

      命題3.1設(shè)A=(aij)∈Mn是analogy-transitive矩陣,則A2=A.

      證明A是analogy-transitive矩陣,則?i,j,l∈N,aik+akj=aij.因此

      即A2=A.

      定理3.2設(shè)A=(aij)∈Mn是analogy-transitive矩陣,則本征空間V(A)={α?Aj:α∈R,?j∈N}.

      證明對(duì)于analogy-transitive矩陣,λ(A)=0是其唯一的本征值,則Aλ=A,因此Δ(Aλ)=A⊕A2⊕…⊕An,由命題3.1有A2=A,則Δ(Aλ)=A.接下來(lái)找出Δ(Aλ)中對(duì)角線元素為0的列向量.由analogy-transitive矩陣的定義知?i∈N,aii=0,即Nc(A)=N且Δ(Aλ)=A中所有列向量都是A的本征向量.再由analogy-transitive矩陣的定義,對(duì)于1≤i,j≤n,且i≠j,有alj=ali+aij,?l∈N,即Aj=aij?Ai,也即gj=aij?gi,由定理1.2,i~j,即關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)集Nc(A)關(guān)于“~”有且僅有1個(gè)等價(jià)類.因此對(duì)于1個(gè)analogy-transitive矩陣,其本征空間為

      由定理3.2的證明易知1個(gè)analogy-transitive矩陣A的本征空間的基為

      {Aj:j∈N},

      即pd(A)=1.

      定理3.3設(shè)A=(aij)∈Mn是analogy-transitive矩陣,則存在一個(gè)算法計(jì)算出A的本征值及所有本征向量,算法復(fù)雜度為O(n2).

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