一類(lèi)廣義Lyapunov矩陣方程的正定解

李春梅，段雪峰，彭振赟，江祝靈

（桂林電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林　541004）

一類(lèi)廣義Lyapunov矩陣方程的正定解

李春梅，段雪峰，彭振赟，江祝靈

（桂林電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林541004）

研究了雙線性系統(tǒng)中的一類(lèi)廣義Lyapunov矩陣方程的正定解.基于混合單調(diào)算子不動(dòng)點(diǎn)定理，給出新的存在正定解的充分條件，構(gòu)造了求其正定解的不動(dòng)點(diǎn)迭代方法，并給出了迭代誤差估計(jì)公式.數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明新方法是可行的.

廣義Lyapunov矩陣方程；雙線性系統(tǒng)；正定解；充分條件；迭代方法

1　引言

本文研究如下廣義Lyapunov矩陣方程：

的正定解，其中A，N1，N2，···，Nm是n×n階實(shí)矩陣，Q是n×n階對(duì)稱(chēng)正定矩陣.令

則雙線性系統(tǒng)

的可達(dá)格拉姆矩陣P就是廣義Lyapunov矩陣方程（1.1）的正定解，其中Q=BBT.因此，廣義Lyapunov矩陣方程（1.1）的正定解在雙線性系統(tǒng)的可達(dá)格拉姆矩陣的計(jì)算中起著重要作用，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［1-3］.

自從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的Lyapunov矩陣方程（即矩陣方程（1.1）在m=0時(shí)的情形）進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，發(fā)展了許多有效的數(shù)值方法.這些迭代方法主要分為直接法和迭代法兩大類(lèi)，直接法主要利用矩陣分解、分塊技術(shù)，矩陣廣義逆和矩陣直積給出解析解的方法，比如：Bartels-Stewart方法［4］，Hammarling方法［5］等，而迭代方法（如：Krylov子空間方法［6］，ADI方法［7］，矩陣符號(hào)函數(shù)法［8］和保結(jié)構(gòu)算法［910］）主要是建立某種迭代格式，讓迭代格式產(chǎn)生的序列收斂于Lyapunov矩陣方程的解.然而廣義Lyapunov矩陣方程（1.1）在m≥1時(shí)的可解性理論和數(shù)值方法相對(duì)比較少，其主要原因是矩陣方程（1.1）的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以刻畫(huà)它的正定解.文［1］給出了矩陣方程（1.1）存在正定解的充分條件，然而這些條件建立在抽象的線性算子理論和譜分析的基礎(chǔ)之上.通過(guò)矩陣?yán)彼阕雍蚄ronecker積，文［1112］將矩陣方程（1.1）轉(zhuǎn)化成線性方程組，給出了一些有解的充分條件，還設(shè)計(jì)了一種參數(shù)迭代求解方法.

據(jù)我們所知，廣義Lyapunov矩陣方程（1.1）的正定解的存在性還是一個(gè)難題.本文將利用混合單調(diào)算子不動(dòng)點(diǎn)定理，給出一個(gè)新的存在正定解的充分條件，構(gòu)造了求其正定解的不動(dòng)點(diǎn)迭代方法，并給出了迭代誤差估計(jì)公式.

2　預(yù)備知識(shí)

本文用Rn×n表示n×n階實(shí)矩陣構(gòu)成的集合，SRn×n表示n×n階對(duì)稱(chēng)矩陣組成的集合.B＞0（B≥0）表示矩陣B對(duì)稱(chēng)正定（半正定）.B＞C（B≥C）表示矩陣B-C正定（半正定）.如果矩陣X滿足B＜X＜C，我們記為X∈（B，C）.λ1（B）和λn（B）分別表示n×n對(duì)稱(chēng)矩陣B的最大和最小特征值.表示n×n階半正定矩陣構(gòu)成的集合.BT表示矩陣B的轉(zhuǎn)置，Om×n表示m×n階零矩陣.‖B‖表示矩陣B的譜范數(shù).對(duì)于n×n階正定矩陣Q，Q-范數(shù)定義如下

集合SRn×n上定義了Q-范數(shù)就形成一個(gè)完備的度量空間（詳見(jiàn)文獻(xiàn)［1］）.

引理 2.1［13］設(shè)A和B是n×n階正定矩陣，則0≤Tr（AB）≤‖A‖Tr（B）.

引理 2.2（混合單調(diào)算子不動(dòng)點(diǎn)定理［14］）設(shè)（W，≤）是一個(gè)偏序集，d是W上的度量，它使得W構(gòu)成一個(gè)完備的度量空間.設(shè)映射F：W×W→W連續(xù)且在集合W上混合單調(diào).假如存在δ∈［0，1）對(duì)所有的x≥u和y≤v滿足

如果

（i）存在x0，y0∈W 使得x0≤F（x0，y0）和y0≥F（y0，x0）成立；

（ii）任何一對(duì)元素都有上界和下界，即對(duì)任意（x，y）∈W×W 都存在 z1和 z2使得x，y≤z1和x，y≥z2成立；那么存在唯一的使得

另外，由xk+1=F（xk，yk）和yk+1=F（yk，xk）產(chǎn)生的序列｛xk｝和｛yk｝收斂于它的誤差估計(jì)式為

這里映射F：W×W→W混合單調(diào)的意思是映射F（x，y）關(guān)于x單調(diào)遞增，關(guān)于y單調(diào)遞減，即

3　主要結(jié)論

本節(jié)中，我們利用混合單調(diào)算子的不動(dòng)點(diǎn)定理得到矩陣方程（1.1）存在對(duì)稱(chēng)正定解的新的充分條件，構(gòu)造一種迭代方法計(jì)算其對(duì)稱(chēng)正定解，同時(shí)迭代方法的誤差估計(jì)公式也被給出.

定理 3.1設(shè)F=A+In.如果

4　數(shù)值實(shí)驗(yàn)

本節(jié)將利用數(shù)值例子驗(yàn)證迭代方法（3.2）的可行性.實(shí)驗(yàn)程序都是用MATLAB R2010a編寫(xiě).對(duì)于迭代方法（3.2），我們定義相對(duì)誤差

所有實(shí)驗(yàn)的停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)為R（Xk）≤1.0×10-10，R（Yk）≤1.0×10-10.

例4.1考慮廣義Lyapunov方程：

（1）設(shè)n=8，容易驗(yàn)證定理3.1的條件滿足，則可利用迭代方法（3.2）計(jì)算矩陣方程（4.1）的唯一正定解迭代3 0步后，得到它的相對(duì)殘差為R（X30）≈8.58×10-11.

（2）設(shè)n=100或300，容易驗(yàn)證定理3.1的條件滿足，則可利用迭代方法（3.2）計(jì)算矩陣方程（4.1）的唯一正定解相對(duì)殘差R（Xk）和R（Yk）的收斂曲線見(jiàn)圖1.

圖1　相對(duì)殘差R（Xk）和R（Yk）的收斂曲線

例4.1說(shuō)明如果A，Nj和Q滿足定理3.1的條件，則由迭代方法（3.2）產(chǎn)生的矩陣序列｛Xk｝和｛Yk｝都收斂于矩陣方程（1.1）的唯一正定解

5　結(jié)論

本文研究了雙線性系統(tǒng)模型降階中的一類(lèi)廣義Lyapunov方程.利用混合單調(diào)算子的不動(dòng)點(diǎn)定理得到了該方程存在唯一正定解的充分條件，構(gòu)造了迭代求解方法，并給出了迭代方法的誤差估計(jì)公式.文章最后利用數(shù)值例子驗(yàn)證了迭代方法的可行性.

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2010 MSC:15A24，65F30，93A15

Positive definite solution of a class of generalized Lyapunov equation

Li Chunmei，Duan Xuefeng，Peng Zhenyun，Jiang Zhuling
（School of Mathematics and Computational Science，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In this paper，we consider the positive definite solution of a class of generalized Lyapunov matrix equation，which arises in the bilinear systems.Based on the fixed point theorem for mixed monotone operator，a new sufficient condition for the existence of a unique positive definite solution is derived.A fixed point iterative method is proposed to compute the unique positive definite solution，and its error estimation is also given.Finally，a numerical example is presented to illustrate the feasibility of the proposed method.

generalized Lyapunov equation，bilinear system，positive definite solution，sufficient condition，iterative method

O178

A

1008-5513（2016）05-0505-10

10.3969/j.issn.1008-5513.2016.05.007

2016-06-30.

國(guó)家自然科學(xué)基金（11561015；11301107；11261014）；廣西自然科學(xué)基金（2016GXNSFFA380009；2016GXNSFAA380074）.

李春梅（1984-），碩士，講師，研究方向：數(shù)值代數(shù).