Математика
УДК 512.64
о СТРУКТУРЕ ЯДРА ТЕПЛИЦ-ПЛЮС-ГАНКЕЛЕВЫХ МАТРИЦ
ВЖ Адуков, 0./7. Ибряева
В работе изучается структура ядра блочных теплиц-плюс-ганкелевых матриц и на основе этого дается формула для производящего многочлена обратной матрицы для данного класса матриц.
1. Введение
Хорошо известно, что задача описания ядра теплицевых или ганкелевых матриц и задача их обращения тесно связаны между собой [1] - [3]. Обе эти задачи решаются в терминах индексов и существенных многочленов конечной последовательности, порождающей данную теплицеву матрицу [1], [2] (или в терминологии работы [3] в терминах характеристических степеней и характеристических многочленов). Метод оказался также эффективным в задаче явного построения факторизации Винера-Хопфа мероморфных матриц-функций [4] и при исследовании равномерной сходимости строк таблицы Паде для функций и матриц-функций [5]
-[7].
Мы собираемся распространить подход, основанный на понятиях индексов и существенных многочленов, на класс блочных теплиц-плюс-ганкелевых матриц (далее Т + 7/-матриц). Обращение матриц этого класса возникает в задаче приближенного решения интегральных уравнений с ядром, являющимся суммой двух слагаемых: одно из них зависит от разности аргументов, а другое - от суммы. Кроме того, задача нахождения линейной аппроксимации Паде-Чебышева фактически сводится к нахождению ядра Т + //"-матрицы. Эти применения Т + //-матриц и определяют цели данной работы: ввести аналоги индексов и существенных многочленов для случая блочных Т + Н-матриц и, на этой основе, описать структуру их ядра и предложить метод их обращения.
Для Т + //"-матриц существует два подхода к определению индексов и существенных многочленов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. В этой статье мы ограничимся описанием только того подхода, который более предпочтителен для применения в задаче обращения Т 4- //-матриц. Другой подход, который дает более тонкое описание структуры ядра этих матриц, будет опубликован отдельно. Его мы собираемся использовать для изучения аппроксимаций Паде-Чебышева.
Структура данной работы такова. В параграфе 2 мы вводим понятия существенных индексов и многочленов, объясняем причины возникновения двух различных подходов и сравниваем их. Структура ядра блочных Т + II-матриц описывается одним из методов в параграфе 3. В заключительном параграфе 4 мы приводим результат по обращению блочных Т + //-матриц.
2. Определение индексов и существенных многочленов Т + #-последовательности
Пусть ам, ам+1, ..., а^ и Ьо> ..., (М < М) произвольные конечные последова-
тельности комплексных матриц размером р х д. Упорядоченную пару этих двух последова-
тельностей будем называть Т + H-последовэгпельносшью. Составим с помощью Т + Н-последовательности семейство блочных теплиц-плюс-ганкелевых матриц:
Sk = Тк +Нк = \\аг-3 +6z+j-fe|| г = к,к + 1, tN )
j —0,1, ,к —м
M < к < N.
Для того, чтобы ввести понятия индексов и существенных многочленов Т + H - последовательности изучим структуру правых kerR и левых kerL Sk ядер семейства матриц
Sk.
Поскольку удобнее иметь дело не с векторами, а с производящими векторными многочленами, перейдем от пространств kerR Sk и kerL Sk к изоморфным пространствам и N^ производящих векторных многочленов. Для этого введем операторы crj (<т£), действующие из пространства рациональных матриц-функций вида R(t) (.R(t) — YIj^q1 r^J)> tj ^ ^ qXl- в пространство С pxl по правилу
—M N-M
- £ a-jrj К№)} = Еъл)
и aTL (erf) из пространства рациональных матриц-функций вида L(t) (L(t) = J2j~oM ¥')> lxpi B C lXq по правилу
— M N-M
ЯШ} = E1№(*)} = E w-
j=-JV j=0
Определение 2.1. Определим к ~ M,..., N, как пространство векторных столбцовых многочленов R(t) — гз^31 Тз ^ ^ qXli maKfu*x} что
o*{t-+R(t)} + <T*{1?-kR{t)} = о
для i = k + 1,..., N.
Пусть также Л/^, к — М,... ,7V, - пространство векторных строчных многочленов Щ = £JMÎM7» 1Xi\ тагах, шо
¿ля г — fc, fc — 1,..., M.
Определим пространство как пространство всех столбцовых многочленов от t формальной степени N - M + 1 и положим = ~ № • Введем также пространство всех многочленов от t формальной степени N ~ M + 1 и положим = = {0} Очевидно, что Л/Jf ^ kerR Sk и = kerL i>V
Следующая теорема является ключевой при построении всей теории. Теорема 2.1. Выполняются следующие условия
(* + 1)л4лсл4% wkRçMkR+2, tMkR n (t + l)2MkR = t(t + 1)Хй-2, n (i + 1)Л4я+1 = t(t +
(i + iA/fc ç A/fc_2, tA/£ n (t + 1)2Л4Ь = i(t + l)X+2, n (t + - i(t +
Доказательство- Пусть R(t) G A/jf. Рассмотрим R(t) = (t + 1 )R(t). Очевидно, deg R(t) < k — M +1. Используя условия ортогональности из определения 2.1 для R(t) е A/Jf, получаем
{t~lR(t)} + a^{f~^R(t)} - О
Т (4.-
Vr
для i = k + 1,..., N. Значит, R(t) G Аналогично доказывается вложение üV¿f С Л/"Д2-
Очевидно, что
t(t + l)2TVfe% С n (í + 1)2Л/^.
Докажем противоположное вложение. Пусть е £A/]f П (t + l)2A/jf и А; > М — 2. Тогда, i?(í) - íi2i(í)t ñi(í) € и E(í) = (t + l)2ñ2(¿), ДгМ еЛ/^. Значит, i2(t) - í(í + 1 )2R2(t)y где i?2(¿) = tR2(t) и degi^í) < k — M — 2. Докажем, что ¿2(í) € A/jf_2, т*е-> что выполняются соответствующие условия ортогональности:
aTR{ríR2(t)} + ^{t%~{k-2)R2(t)} = 0 (2.1)
для i — к — 2,к — 1,... ЛГ. Используя условия ортогональности для JfeCO — получим,
что это верно для г ~ к — 1, fc,.. .N — 1. Из условий ортогональности для Ль Д2 и условия (2.1), взятых при г — fe, получаем, что (2.1) верно и для i — к — 2. Аналогично, из условий ортогональности для R\,R2 при i — N и условия (2.1) при i — N - 2, получаем, что (2.1) верно для i — N. Нетрудно убедиться, что tM^ П (t + 1)2А/*^ = О, tA/j^+1 П (í + l)2A/j&+1 = О, т.е. доказываемое соотношение верно и при к — М, М + 1.
Аналогично доказывается вложение П (£ + 1)Л/^!Ь1 = t(t + 1)Л/'^_1 и вторая часть теоремы. ■
Таким образом, в отличии от теплицева случая, теперь мы должны рассмотреть вложения трех последовательных пространств Л/Jf, А/*ДХ, А/"Д2> что дает возможность для двух различных вариантов построения дальнейшей теории. Во-первых, мы можем рассмотреть две независимые цепочки вложений: J\í^ С А/"^+2 Q -^м+4 • • • и 1 - ^м+з Я: -^м+5 э используя тем самым только вложения ¿Л/jf, (é + l)2A/jf (или (í2 +1 )A/jf) в А/^2. Для этих двух цепочек пространств мы независимо определим два набора индексов и существенных многочленов никак не связанных между собой. Этот способ не использует вложения (t + 1 )АГД1 в М*2 и потому дает более грубое описание структуры ядра, чем второй способ, использующий это вложение. В последнем случае мы имеем одну цепочку вложенных пространств A/¿?,Z/7 М < к < N и один набор индексов и существенных многочленов. Однако, при таком подходе многие формулы, относящиеся к задаче обращения Т + Л-матриц, становятся более сложными. Для обращения матрицы So необязательно рассмотривать все пространства Достаточно рассмотреть только одну цепочку вложений, содержащую A/Jf. В данной статье мы поступим именно таким образом. Второй подход будет описан в другой работе.
Пусть a0 = dimA/^, ol\ = dimA/^+1, <vi = dimA/"^, ujq = dimAЗаметим, что всегда <*ü <auuQ <ши т.к.
Будем называть Т -f //-последовательность регулярной, если Q'o, Qíi, равны нулю.
Сами числа ао, аь <*>о будем называть дефектами Т + Я-последовательности. В случае ах — wi — 0, автоматически получаем ао = = О*
Обозначим = dimA/jf, d¡¡ = dimA/¿ . По определению положим А £ ^ - d*_2 и
Д* = -
Легко убедиться, что для М — 1 < /с < ÍV — 1
Д£+2 4- Afc = 2(р + «) (2.2)
Чтобы соотношение (2.2) выполнялось и для к = М - 2, N нужно положить = - М + 3)д + р9 т <1^ _2 ~ (М - М + 3)р 4- д, Теперь имеют место следующие равенства: А* - а0, А*+1 - аь А£+1 - 2(р + д) - ц>г, А£+2 = 2(р + д) - а>0, А^„2 - 2(р + д) - а0, А^ = 2(р + д) - аь Д^г„1 = а>ь = Заметим, что определение чисел и
является формальным - сами пространства Л/^_2 не определены.
Теперь мы можем установить очень важный для дальнейшего факт - монотонность последовательностей
Теорема 2.2. Пусть N - М = €(то<12), е = 0,1. Тогда для любой Т + Н-последовательности справедливы следующие неравенства:
а,
AR < AR <
< AR
2(p + g) — ov — Дм-2+i/ —
[.+„] < + = 2(P + 9) ~ Wl€+I/]1 " = 0 > ^ (2-3)
W[e+1/], ^ = 0,1, (2.4)
> AL > > AL > AL
- t^M+u — ■ • • — N—2—[e-ff] — ^дг-[«+!/]
где € + v = [e + i/](mod 2), [б + i>] = 0,1.
Доказательство. Как показано в теореме 2.1, пространство содержит подпространство tj\f£ + (t + Воспользовавшись формулой Грассмана, получим
dim + (i + 1)2Л^Й) =
dimtA/? + dim (t + 1)2Л^Й - dim (¿Л/£ П (i + 1)2Л^Я) - 2d£ - <
Это и означает, что А£ < А£+2,
Аналогично доказываются остальные неравенства. ■
Перейдем теперь к определению индексов и существенных многочленов для цепочки пространств
\fR \TR \[R и - Hi
jyj M+v > jy,M+2+vi Af+44-1/ ' 4 ' > I/ — U, i.
Из теоремы 2.2 и в силу того, что целые числа, следует, что цепочка неравенств (2.3) возможна лишь в том случае, если найдется 2(р + q) ~ ~ ау целых чисел
/Oi ^ ^ таких, что
Ая
дя
¿A..V I о
К-
Vav+l
Дй
Ая
= а
i/5
(2-5)
2(р + g) - W|€+J/]
Если г-я строка в этих соотношениях отсутствует, считаем, что ¿¿^ = Кроме то-
го, по определению будем считать, ц^ = ... = ¿¿^ = М — 2 + I/ (в случае а^ 0) и М2(рН)-<(,[е+у)+1 - • • • - ^ ^ + 2 [е + (в случае ц/[€+1/] ф 0).
Аналогичным образом для цепочки неравенств (2.4) можно определить 2(р + д) целых
чисел < ...
n2(p+q) • ®ти числа определяются следующей таблицей:
^ 2(р + д)
AL
М—2+f
Д*.
аи+1
а
Ui
2(р H)-W[€+I/]
AL
iV—[еЧ-i/j
- 2(p + g) — г,
= ^[e-ru]
(2.6)
с доопределением 7гх = ... = = М — 2 + V (для случая, когда аи ф 0) и
К(р+я)-ш1л+и]+1 = ■■■ = *%(р+я) = ^ + 2 - + И. если # 0.
Предложение 2.1. Числа ..., п ^>• • • > ^(р+д) совпа^ают- Кроме того,
2 (р+?) «=1
Доказательство. Первая часть предложения легко следует из ранее полученной формулы Д£+2 + Д£ = 2 (р + д).
Докажем формулу для суммы чисел С одной стороны,
ЛГ+2
Дгй = Д* + ... + Д£+2 = ¿«+а + <_2 = (ЛГ - м + % + р.
г—М
Здесь знак означает, что в этой сумме шаг изменения индекса % равен двум. С другой
N+2 2 (р+д)
стороны, Агл = -5 Е <-2(р + д)(^ + 2).
2 (Р+Я)
Сравнивая, получаем К — 2 ЬС^ + 1) + — 1)] • ■
»=1
Заметим, что если 0 € [М, Щ, то эта сумма равна удвоенному индексу оператора 5о, взятому с обратным знаком.
Определение 2.2. Целые числа /х^, • * • ? /-^(р+д) называть индексами порядка и данной
Т + Н-последовательности.
Перейдем теперь к определению существенных многочленов.
Мы знаем, что ¿Л/^ + (4 + 1)2Л/^ С Обозначим дополнение пространства
+ (* + 1)2ЛГ£ до Л/Д2, т.е.
- № + (* + 1
для к = М,М + 2,... . Тогда сНт%£+2 = Д£+2 - Д£. Из таблицы (2.5) видно, что эта разность Д£+2 — Д£ ф 0 только для к = и равна кратности индекса . Таким образом,
= + («+ 1)2Л4Й, к ф
= И? + (* + к =
Аналогично, для случая левых ядер, мы имеем
л^-2 = + (1 + к ф
= + (* + к = Ну
Определение 2.3. Любые столбцовые многочлены Д^+хС*), образу-
ющие базис ^з ~~ ~~ кратность будем называть правыми суще-
ственными многочленами, соответствующими индексу
Аналогично, любые строчные многочлены Щ(£), ..., +1(£), являющиеся ба-
зисом дополнения пу будем называть левыми существенными многочленами, соответ-
"о
ствующими индексу ¡.с".
Многочлены -.., -К^р+д)-^ 4 ] (^аи+Л^)^ * * * >назовем правыми (левыми)
существенными многочленами порядка и для данной Т + Непоследовательности.
Если О Е [МУЩ и М = ¿/(тос!2), и = 0,1, то нетрудно убедиться, что матрица 5о обратима тогда и только тогда, когда Т + ^-последовательность регулярна, все индексы
[и+1] [и+1] - [1/+11 \uj-l] - т/>
порядка у равны нулю, и —— •.. ~ —1, = ... = /4(р+4) = Кроме того,
в этом случае все правые существенные многочлены порядка V мы можем получить, найдя базис кега ¿2, так как <1£ — 2(р + д). Аналогично, базис кегь Б-2 состоит из 2(р + д) левых существенных многочленов порядка V. Как мы увидем в дальнейшем, именно эти правые и левые существенные многочлены и будут определять матрицу Б^1.
3- Структура ядра Т + Я-матриц
Теперь мы можем описать структуру ядра блочных Т + ^-матриц в терминах индексов и существенных многочленов.
Теорема 3.1. Пусть ..., V = 0,1, - индексы Т 4- Н-последовательности и
Я* (£),... + ^ ~ правые существенные многочлены ((]У — М) ~ б(тос!2)). Тогда,
если I Е + 2,/х^|_1]; то производящие многочлены для элементов базиса кегя Бг есть:
+1 ...,*(* +1 )2{-к^Щ{£), (г +1 .
Здесь к3 — —~ 1*
Для удобства в случае = 0 положено /^(р+^+з = N + 2 и, если = 0,
Доказательство. Докажем утверждение теоремы по индукции. Очевидно, утверждение теоремы верно для первого пространства кетнБм. Предположим, что оно выполняется и для кегл^, к < 1 — 1. Докажем, что тогда оно верно и для кегдб'/. Для упрощения записи опустим верхний индекс V.
Рассмотрим случай I Е (¿¿г 4- 2,/хг+х). Производящие многочлены для элементов базиса кегк — 2 есть
~2(г + ...,¿(г + 1)2^-3>л„ {ь + .
Тогда порождается
и (£ + 1)2Л/|^.2 порождается
+ 1)2Д^"2(£ + 1)%,..., £(* + (4 + I)2*'йЛ* .
Тогда пространство Л/*гя = 2 + (£ + 1)2Л/*Д2 порождается
+ + Х)2^-^^, Х)2^^}* . (3.1)
I ) ^=1
Осталось показать, что эти многочлены могут быть выбраны в качестве базисных. Количество многочленов в (3.1) есть
Ел+ч-вЦ^-НЁ*,-
3=1 3=1
3=1
С другой стороны,
¿Г = £ЧЯ = "О [~М +2Ма°+1 + Л + (ао + 1) (^0+2-Ма0+Л +
./=м ^ / \ /
+ (;
- мЛ 1
1 г
оЕ^-
¿=1
Так как количество многочленов в (3.1) совпадает с размерностью df и эти многочлены порождают , то система (3.1) — базис М^. Аналогично можно рассмотреть случаи 1 = рг + 2, ¿ =
Теорема доказана. ■
Аналогичная теорема справедлива и для левых ядер.
Теорема 3.2. Пусть ¡л 1? • • • ^(р+д)' и = ~ индексы, а — , ~ левые
существенные многочлены Т + Н-последовательности.
Тогда, если I € [аС-15 ~2], то прошводящие многочлены для элементов базиса кегь $ есть:
5<?есь к3 = ~ 1*
Для удобства в случае «о — 0 положено /хд — М — 2 и, если а\ — 0, /¿о = Л/ — 1.
4. Обращение Т + Я-матриц
В заключение приведем формулу для производящей функции для обратной к Т + Я-матрице.
Положим М ~ —т, ЛГ — п. Пусть ¿>о = Н^г-^ + ^+¿11 ~ обратимая блочная теплиц-плюс-ганкелевая матрица блочных размеров п х т с блоками из С иВ = ЦЬ^Ц г = о,1, ,т
^ — 0Т1, ,п
(Ьг^ € С ?хр) - обратная к ней матрица.
Введем для матрицы В производящий многочлен от двух переменных
т п г=0 у=О
Теорема 4.1. Пусть матрица ¿>о обратима и М = г/(то(12), Д^),... ~ пРа"
вые, а £].(£),. •., 1/2(р+д)(£) ™ левые существенные многочлены порядка и данной Т + Непоследовательности.
Тогда производящий многочлен для обратной матрицы строится по формуле:
B(t,s)
K(t)A-l£(s)
(t-s)(l-ts)'
f il (s) A
г<?е = {Rxlt) ... R2(P+q){t)) , ù{s) =
A = ALAqAR,
\ L2(p+q){s) /
— ( £o al {s**1 ¿(s-1)} + or" {s™"1/!^)} £n+2 ^{^(s-^J+^fe-1/:^)} ),
/ Ip о о 0 \
Ло =
0
Iq О 0
0 0 Ip 0
V о о о -iq
единичная матрица порядка p.
, A,
Ko
/
Здесь v* jCn+2— старшие коэффициенты правых и левых существенных многочленов} их свободные члены. Неявно присутствующие в AR,AL матрицы a_m_i, i>_i ? bm+n+i - любые матрицы размеров р х д.
Доказательство. Всюду далее в этом доказательстве запись [£?(t, s)p ([£(£, s)]j) будет означать й столбец (строку) матрицы B(t, s).
Докажем вначале, что (i — s)(l — ts)[B(t, s)]J E A/*<f. Заметим , что для I = 0,... п
п
<тТ/ [t-lB(t,s)) + он/ {¿гВ(М)} = %Ips> = slIp.
j=o
(4.1)
Здесь верхний индекс t у оператора означает, что он действует только на эту переменную. Из условий (4.1) следует, что для г = 2,... ,п
аТк -«)(!- t*)B(t, s)} + {i'-2(t - 5)(l - ts)B(t, s)} = 0.
По определению (2.1) это означает, что (t — s)(l — ts)[B(t, s)p E Af*- Аналогично, с использованием условия
aTL>s {s~lB(t, s"1)} + <x?'s {s -lB{t, s)} = t-lJ„ Z = 0,-1,...,-m
можно показать, что для г — —2, —3,...,—m выполняется
- 0(1 ~ s"1)} + <r?'s {s-2-\t - «)(1 - ts)B(t, s)} = 0, (4.2)
Щг)^ (ад),-■)(*)), У(з)
^(р-ьгнОО ••• У2(р+я)р(я) /
что по определению (2.1) означает, что (£ — я)(1 — ts)[B(t,s)]j е Так как Д1ОО,..., Д2(Р4-д)(£) базис для Л/^, мы имеем
2(Р+«)
$-з)(1-Ь8)[В(г,8)у= ]Г НьфУф), 5 = 1,...Р.
к—1
В матричной форме (£ — з)(1 — ¿5)^(^,5) = 7£(£)У($), где
^ Уц(8) ... У1р(з) ^
Из соотношений (4.2) следует, что
о-Г {з^ЩгЩз-1)} + а?-* {*-2-чг(г)у(*)} =
/ {в- мои+& к2-г Р>Ш \
= ТЩ ■■■ =0
V {*"' + {--3"4 у
для г = —2,..., —т. Так как многочлены Йх(£),..., Лг(р+д) (*) линейно независимы, мы имеем <г1'а [УОг1)],-} + <т%'8 [з'2^ = 0 для з = 1,... ,2(р + ?). По определению (2.1)
это означает, что [V(s)}j €
Так как ¿1(5),..., ¿2(р+д)(5)~ базис Л/^2, мы получаем
2 (р+?)
= ^^(в), 5 = 1,...,2(р + д), у^ € С.
Представим эти уравнения в матричной форме У(з) = где
У =
Итак,
- 5)(1 - в) - П(г)У£(з). (4.3)
Осталось найти матрицу V. Докажем, что АНУАЬ — Ло- Для этого нужно вычислить 16 элементов матрицы АНУАЬ.
Сравним в (4.3) коэффициенты при 5° :
гв(щ = щг)УСо. (4.4)
Заметим, что 0) многочлен по £ степени не большей ш + 1, а не большей
тп + 2. Тогда получаем следующее условие: = 0. Фактически мы нашли эле-
мент А21 матрицы Ло- Если сравнить в (4.4) коэффициенты при то мы получим элемент
А41 = ЯоУ£0 = 0.
Далее заметим, что {#(£, 0)} + {B(t, 0)} = Ip. (Мы не указываем явно на какую переменную действует оператор, если это не вызывает сомнений.) Это приводит к результату Лц = {о* {t~lK(t)} + {t~xll(t)}) VCo - Ip- Аналогично, замечая,
а1{Г"Вт}+а% [ínB(t,0)} = 0,
получаем А31 = (<Тд {¿~n_17£(t)} + (í7^1?^)}) V£o — 0. Аналогично могут быть найдены и оставшиеся элементы. Ввиду ограниченности места мы не приводим полного доказательства.
Итак, ArVAl = Ло- Все матрицы в этом выражении квадратные и, очевидно, (Ао)-1 = Ао. Тогда каждая из Лд, У, AL обратима и
У = Л^ЛоЛГ1 = (ЛьЛоЛд)-1 = Л-1.
Теорема доказана. ■
Отметим, что уже созданная теория для теплицевых матриц (см. [2]) не является частным случаем этой теории при нулевой ¿/"-последовательности, так как в данном случае мы иначе определяем разности Этим обьясняются некоторые расхождения с результатами для теплицевых матриц.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект N 01-01-96422. Один из авторов (Ибря-ева О JL) благодарит за финансовую поддержку программу молодежных грантов для студентов, аспирантов и молодых ученых Челябинской области.
Литература
1. Адуков В.М. Структура ядра и обращение блочных теплицевых матриц / Ред. Сиб. мат. журн. - Новосибирск, 1985. - 20 с, Деп. в ВИНИТИ 29.12.85, N 9030-В.
2. Adukov V.M. Generalized inversion of block Toeplitz matrices// Linear Algebra Appl - 1998. - V. 274. - P. 85-124.
3. Heinig G., Jankowski P. Kernel structure of block Hankel and Toeplitz matrices and partial realization// Linear Algebra Appl. - 1992. - V. 175. - P. 1-30.
4. Адуков В.М. Факторизация Винера-Хопфа мероморфных матриц-функций// Алгебра и анализ. - 1992. - Т. 4, Вып. 1. - С. 54-74.
5. Адуков В.М. О равномерной сходимости подпоследовательностей (А — 1)-й строки таблицы Паде// Известия Челябинского научного центра. - 2001. - Вып. 1. - С. 3-7.
6. Адуков В.М. О геометрии множества предельных точек полюсов (А—1)-й строки таблицы Паде// Известия Челябинского научного центра. - 2001. - Вып. 1. - С. 8-11.
7. Adukov V.M. The essential polynomial approach to convergence of matrix Padé approximants// Contemporary Math. - 2001. - V. 280. - P. 71-87.