廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣＊

方玲鳳，蔡 靜

（湖州師范學院 理學院，浙江 湖州 313000）

廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣＊

方玲鳳，蔡 靜

（湖州師范學院 理學院，浙江 湖州 313000）

運用特殊矩陣理論，推廣了全酉矩陣和（反）全Hermite矩陣概念，給出了廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣的定義，研究了廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣的基本性質，得到了一些相關推論，并揭示了廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣的內在聯系．

廣義全酉矩陣；廣義全Hermite矩陣；廣義反全Hermite矩陣

MSC 2000：15A09

0 引言

特殊矩陣是線性代數的重要組成部分，作為一種基本的數學工具，在數學學科及應用科學領域（如數值分析、優化理論、微分方程、概率統計、現代經濟數學等）都有著廣泛的應用［1～2］．特殊矩陣的類型有很多，如酉矩陣、Hermite矩陣、Hankel矩陣、Toeplitz矩陣、M-矩陣、H-矩陣等，這些特殊矩陣都有著各自良好的性質，這些性質在經濟學、物理學、工程等許多應用學科中有著廣泛的應用，因此對特殊矩陣的性質進行研究具有重要的意義．

目前，關于酉矩陣和Hermite矩陣的性質研究已較為廣泛和深入［3～6］．在上述研究工作的基礎上，文獻［7］對酉矩陣和Hermite矩陣概念進行了推廣，給出了擬酉矩陣與擬Hermite矩陣的定義及基本性質．文獻［8］給出了強酉矩陣的概念，并討論了它的相關性質．文獻［9］～［11］探討了次酉矩陣、次Hermite和反次Hermite矩陣的特征值、次特征值，以及各類矩陣之間的關系．文獻［12］給出了廣義次酉矩陣的定義，研究了廣義次酉矩陣的性質．文獻［13］、［14］研究了廣義酉矩陣和廣義（反）Hermite矩陣的性質及其相互關系．文獻［15］～［17］對全轉置矩陣與全正交矩陣概念做了復數域上的推廣，定義了共軛全轉置矩陣、（反）全Hermite矩陣、左酉矩陣、右酉矩陣以及全酉矩陣，并討論了其性質及相互關系．

鑒于現有的研究成果，尚未拓展到更廣泛的廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣，而上述矩陣相對于全酉矩陣和（反）全Hermite矩陣，有著許多特殊的性質，因此對其進行系統、深入的研究，有助于進一步豐富特殊矩陣的相關理論，深化、拓廣其應用．

1 預備知識

文中，C和R分別表示復數集與實數集，Cm×n表示m×n復矩陣集合，det A表示復方陣A的行列式，表示det A的共軛，｜det A｜表示det A的模、AT、A0、A－0分別表示n階矩陣A的共軛矩陣、轉置矩陣、全轉置矩陣、共軛全轉置矩陣，A＊表示A的余子陣，I、J分別表示單位矩陣和次單位矩陣．文中所提到的矩陣，若無特別聲明，均指復矩陣．

定義1［17］設n階矩陣

2 廣義全酉矩陣的定義與性質

（2）因（A－0）－0U－1A－0＝A（A－0UA）－1A－0＝AA－1U－1（A－0）－1A－0＝U－1，所以A－0∈GU－1．

因（A－1）－0UA－1＝ （A－0）－1（A－0UA）A－1＝U，所以A－1∈GU．

因（A＊）－0UA＊＝ （（det A）A－1）－0U（det A）A－1＝｜det A｜2（A－1）－0UA－1＝U，所以A＊∈GU．

推論1［17］設A是n階全酉矩陣，那么

（1）A的行列式的模｜det A｜＝1；

（2）A－0、A－1、A＊都是全酉矩陣．

定理2 若n階矩陣A、B∈GU，且A、B是可交換的，則AB∈GU．

證明 （AB）－0UAB＝A－0B－0UAB＝A－0B－0UBA＝U，所以AB∈GU．

推論2［17］設n階矩陣A、B是全酉矩陣，A、B是可交換的，則AB是全酉矩陣．

定理3 設A、B均為n階可逆復矩陣，非奇異矩陣U∈Cn×n，存在Q∈GU，使A＝BQ，且B、Q是可交換的，則A－0UA＝B－0UB．

證明 因A＝BQ，Q－0UQ＝U，又B、Q是可交換的，所以

定義3 設A∈Cn×n，如果存在非奇異矩陣U∈Cn×n．使得A－0UA＝U，則稱A是由U確定的廣義全酉矩陣，記這種廣義全酉矩陣的集合為GU．

注2 當U＝I時，由U確定的廣義全酉矩陣即為全酉矩陣．

定理1 設A∈GU，則

（1）A的行列式的模｜det A｜＝1；

（2）A－0∈GU－1，A－1∈GU，A＊∈GU．

證明 因為A∈GU，所以A－0UA＝U，從而

3 廣義（反）全Hermite矩陣的定義與性質

定義4 設A∈Cn×n，如果存在非奇異矩陣U∈Cn×n，使得A－0U＝UA（或A－0U＝－UA），則稱A是由U確定的廣義全Hermite矩陣（或廣義反全Hermite矩陣）．

記這種廣義全Hermite矩陣的集合為U＋，廣義反全Hermite矩陣的集合為U－．

顯然，當U＝I時，由U確定的廣義全Hermite矩陣是全Hermite矩陣；由U確定的廣義反全Hermite矩陣是反全Hermite矩陣．

定理8 設A、B∈U＋，k∈R，則

（1）kA，A±B∈U＋；

（2）AB±BA∈U＋；

（3）AB∈U＋．

證明 （1）因A、B∈U＋，故（A＋B）－0U＝A－0U＋B－0U＝UA＋UB＝U（A＋B），即A＋B∈U＋．同理可證A－B，kA∈U＋．

（2）因A、B∈U＋，故（AB＋BA）－0U＝A－0B－0U＋B－0A－0U＝UAB＋UBA＝U（AB＋BA），所以AB＋BA∈U＋．同理可證AB－BA∈U＋．

（3）因A、B∈U＋，故（AB）－0U＝A－0B－0U＝A－0UB＝UAB，所以AB∈U＋．

定理9 設A∈U＋，則Ak∈U＋．

證明 因A∈U＋，（Ak）－0U＝A－0A－0…A－0U＝UAk，所以Ak∈U＋．

推論5［17］設A是全Hermite矩陣，那么Ak也是全Hermite矩陣．

定理10 （1）若n階復矩陣A∈U＋，則det A為實數．

（2）若n階復矩陣A∈U－，則當n為奇數時，det A為0或純虛數；當n為偶數時，det A為實數．

證明 （1）因A－0U＝UA，所以

4 廣義全酉矩陣與廣義（反）全Hermite矩陣的關系

定理11 設A∈Cn×n，若以下3個條件中的任意兩個成立，則第3個必成立．

（1）A∈GU；

（2）A∈U＋；

（3）A2＝I．

證明 若（1）、（2）成立，則A－0UA＝U，A－0U＝UA，從而有UA2＝U，而U非奇異，所以A2＝I．即（3）成立．

若（1）、（3）成立，則A－0UA＝U，A2＝I，從而有A－0U＝UA－1＝UA，故A∈U＋．即（2）成立．

若（2）、（3）成立，則A－0U＝UA，A2＝I，從而有A－0UA＝UA2＝U，故A∈GU．即（1）成立．

定理12 設A∈Cn×n，若以下3個條件中的任意兩個成立，則第3個必成立．

（1）A∈GU；

（2）A∈U－；

（3）A2＝－I．

證明 若（1）、（2）成立，則A－0UA＝U，A－0U＝－UA，從而有UA2＝－U，而U非奇異，所以A2＝－I．即（3）成立．

若（1）、（3）成立，則A－0UA＝U，A2＝－I，從而有A－0U＝UA－1＝－UA，故A∈U－．即（2）成立．

若（2）、（3）成立，則A－0U＝－UA，A2＝－I，從而有A－0UA＝－UA2＝U，故A∈GU．即（1）成立．

定理13 設A∈Cn×n是廣義全酉矩陣，且A2＝I，則

（1）A－1BA為廣義全Hermite矩陣的充分必要條件是B為廣義全Hermite矩陣；

（2）A－1BA為廣義反全Hermite矩陣的充分必要條件是B為廣義反全Hermite矩陣．

證明 （1）因A是廣義全酉矩陣，故A－0UA＝U，所以A－0＝UA－1U－1．由A－1BA為廣義全Hermite矩陣得：

UA－1BA＝ （A－1BA）－0U＝ （A－0）－1B－0A－0U＝ （UA－1U－1）－1B－0A－0U＝UAU－1B－0UA－1．

又因A2＝I，結合上式得B＝U－1B－0U．所以B－0U＝UB，即B為廣義全Hermite矩陣．反之亦然．

（2）由A－1BA為廣義反全Hermite矩陣得：

又因A2＝I，結合上式得－B＝U－1B－0U．所以B－0U＝－UB，即B為廣義反全Hermite矩陣．反之亦然．

5 小結

本文推廣了全酉矩陣和（反）全Hermite矩陣概念，給出了廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣的定義，并研究了廣義全酉矩陣和廣義（反）全Hermite矩陣的基本性質，揭示了這幾類矩陣之間的關系．通過本文的研究，可以更深入地了解這幾類矩陣的特殊性質與內在聯系，完善其理論，使其能更好地發揮應用價值．

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MSC 2000：15A09

Generalized Full-unitary Matrix and Generalized（skew）Full-Hermite Matrix Center

FANG Ling-feng，CAI Jing
（Faculty of Science，Huzhou Teachers College，Huzhou 313000，China）

By using special matrix theory，we generalize the conceptions of full-unitary matrix and（skew）full-Hermite matrix，give the definitions of generalized full-unitary matrix and generalized（skew）full-Hermite matrix，present the basic properties of generalized full-unitary matrix full-unitary matrix and generalized（skew）full-Hermite matrix，derive some related corollaries and reveal the internal relations of generalized full-unitary matrix and generalized（skew）full-Hermite matrix．

generalized full-unitary matrix；generalized full-Hermite matrix；generalized skew full-Hermite matrix

O151．21

A

1009-1734（2011）02-0036-05

2011-03-04

浙江省自然科學基金項目（Y6110043）；湖州市自然科學基金項目（2010YZ05）．

方玲鳳，湖州師范學院理學院2007級本科生，從事特殊矩陣理論研究．