矩阵函数的性质及其应用辩析.doc

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矩阵函数的性质及其应用 Matrix function Calculus and its application 彭雪娇 欧傅群 岭南师范学院数学与计算科学学院,湛江524048 摘 要:矩阵函数理论是矩阵理论中的一个重要组成部分。矩阵函数把对矩阵的研究带入了分析领域,同时也解决了数学领域及工程技术等其他领域的计算难题。本文从多项式和幂级数两个方面给出了矩阵函数的两种定义方式,从定义出发推导了若干性质及其矩阵函数的求法,在计算中根据适当的情况进行选择,起到事倍功半的作用。在文章的末尾会简述矩阵函数的应用。 Abstract: Matrix function to the field of research into the analysis of the matrix,but also solved the calculation in the field of mathematics and engineering technology,and other problems.In this paper,from two aspects of polynomial and exponential matrix function to two types of definitions are given,starting from the definition to some properties and several cases of matrix function,the application of minimal polynomial to undertake choosing according to appropriate in the calculation,have the effect of the wasted effort.At the end of the article will briefly describes the application of matrix function. 关键词:矩阵函数;微分方程;标准型 Keywords:matrix function;the differential equation;?Jordan canonical form 1 引言 矩阵函数定义的引出把矩阵理论延伸到分析的领域,从而使得对矩阵的研究又提升了一个新的层次,增加了新的手段,同时也使矩阵理论在数学,物理,工程技术等许多领域有了新的应用。 为了讨论方便,给出以下定义和引理: 定义1.1设的最小多项式为,则称集合 为的谱,记为. 定义1.2 设的最小多项式为,称 为函数在上的的谱值。记为. 定义1.3 设是一个矩阵序列,如果由它的部分和矩阵 构成的矩阵序列收敛,则称矩阵级数 收敛,否则成发散。 定义1.4 设,称 为矩阵A的幂级数,记为. 引理1 设和是两个复系数的多项式,则的充要条件是和在的谱上有相同的值. 引理2 设是s个互不相同的复数,是s个正整数,那么对任意给定的m个复数 必存在唯一的次数不超过m-1的多项式,使得 2 矩阵函数的相关概念及其性质 2.1 矩阵函数的定义 正如微积分学的幂级数理论一样,在矩阵分析中通常用矩阵幂级数表示矩阵函数。下面给出的是利用幂级数定义矩阵函数。 定义2.1.1设是复变量的解析函数, 的收敛半径为R,如果矩阵的谱半径,则称 为的矩阵函数。 利用前言给出的两个引理,现在我们可以给出矩阵函数的多项式定义。 定义2.1.2 设在的谱上有定义,我们定义 , 其中是一个在的谱上与有相同取值的复系数多项式。 2.2 矩阵函数的性质 性质1 设, 证明 设矩阵多项式为于是 证毕。 性质2 函数和(或差)的矩阵等于矩阵函数的和(或差),即 。 性质3 函数积的矩阵函数等于矩阵函数的积,即 。 性质4 若有可逆矩阵T,使,则。 性质5 设A是对称矩阵,函数在上有定义,则是对称矩阵。 性质6 设A是实对称矩阵,实函数在上有定义,且对A的任一特征值,有,则是正定矩阵。 证明 由是实函数,是实对称矩阵,又因为的特征值为 ,其中是A的特征值,所以是正定矩阵。 证毕。 下面给出一些常用的矩阵函数的基本性质: 2.3 常用矩阵函数的性质 在这里主要是介绍以下几种常用的矩阵函数, 分别称为矩阵的指数函数,矩阵的正弦函数,矩阵的余弦函数。 定理2.3.1 对任意, 证明 (1)按照和的定义直接验证即可。 (2)根据的定义,可得 同理,可得 . 从而有 成立。 证毕。 这个性质和普通的指数函数和三角函数性质

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