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对几个矩阵不等式的探讨及应用

对几个矩阵不等式的探讨及应用 任德耀 指导老师:李建华 (河西学院数学与应用数学专业届班号, 甘肃张掖 ) 摘要 本文主要对几个矩阵不等式给出证明,并给出具体例子说明这几个矩阵不等式在证明题中的的应用. 关键词 矩阵不等式 正定矩阵 对称矩阵 中图分类号 . 1 引言 矩阵是数学研究及其应用的一个重要工具,在数学学科和许多科学领域都有广泛的应用.而矩阵不等式在近些年来引起了许多学者的兴趣,一些经典不等式在矩阵中的推广及应用更是成为研究的热门问题.本文对几个矩阵不等式进行了深入研究,主要目的是给出了几个不等式的证明,并将其运用到证明题中.今后还将更深入的对矩阵不等式进行研究. 2 预备知识 引理 设,则存在矩阵与,(即列无关,行无关),使. 引理 设均为正数,则 当且仅当时,等号成立. 引理 设正定,为对称矩阵,则存在可逆矩阵,且,使得 其中. 引理 设是阶正定实对称矩阵,则对任意的正数有 等号成立当且仅当 3 对几个矩阵不等式的证明 定理 设依次为矩阵,则. 证明 由分块矩阵的初等变换知 又初等变换不改变分块矩阵的秩及引理1,知: 从而 . 定理2 设正定,,则 (1) 当且仅当时等号成立. 证明 因正定,有引理3知,存在可逆矩阵,且,使得 (2) 其中,因此 (3) 又因 于是不等式(1)等价于 由已知条件及引理2知(3)式成立,从而定理得证,等号成立的条件是:当且仅当(3)式等号成立,即有 ,代入(2),得 即 在(1)中令,即得(1). 推论 设正定,则 当且仅当时,等号成立. 定理 设为阶正定实对称矩阵,则对任意正数有 当时,等式成立当且仅当,当时,等式成立当且仅当 证明 当时,由引理4得证 当时,设为正数且则 上式中的为阶单位矩阵,因为是阶正定实对称矩阵,所以 实质为阶正定实对称矩阵,而,所以 即, ,证毕. 推论 设阶正定实对称矩阵,则 当时,等式成立当且仅当.当时,等式成立当且仅当 证明 用归纳法,当时显然成立.假设当时已成立,则当时有 即当时成立,得证. 4 几个矩阵不等式的应用 例1 设都是矩阵,证明:若,那么. 证明 由,于是以,由定理1得 . 例2 设是三个阶方阵,证明:若,则. 证明 由和定理1知 另一方面 故 . 例3 求证:对满足条件的所有实数及有不等式 成立,并求出等号成立的条件. 证明 由题设知,2阶实矩阵 是正定的,且原不等式等价于 由推论1有 即 故原不等式成立,当且仅当,即时,等号成立. 例4 证明不等式 证明 取为一阶矩阵,则,由推论2 得到 两边平方得 得证. 5 小结 本文对三个矩阵不等式进行了研究,证明了三个矩阵不等式在一定条件下成立,并得出其推论.然后又将三个矩阵不等式或其推论运用到证明题中,充分说明了该矩阵不等式的存在和成立.本文只是对三个矩阵不等式进行了研究,不具备代表性,未来还将对更多的矩阵不等式进行更深入的研???. 参 考 文 献 [1]王莲花,梁保松.不等式的一个证明及其应用.安阳师范学院学报[J],2004(5). [2]方献亚.正定实对称矩阵的几个不等式.数学通报[J],1985(3). [3]郑维英.一个矩阵不等式的改进及应用.鞍山钢铁学院学报[J],2000(5). [4]胡海清.线性代

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