兩個有界線性算子和的Drazin逆

杜 娟,王 華

(內蒙古工業大學理學院,內蒙古呼和浩特 010021)

1 引言與預備知識

廣義逆理論是非常重要的研究領域之一,它在求解奇異微分和差分方程、算子方程、馬爾可夫鏈、迭代法數值分析等方面都有著非常廣泛的應用.特別在求解微分方程組時,矩陣的廣義逆發揮著重要作用,例如給定一類一階奇異系統方程

其中A為奇異矩陣.其通解可表示為

其中 A1=(λA+B)?1A,B1=(λA+B)?1B[1].

20世紀以來,學者們對廣義逆理論中的矩陣的Drazin逆的研究最為活躍.1958年,Drazin[2]在半群與結合環上引入Drazin逆,并在兩個矩陣P和Q滿足PQ=QP=0的條件下,證明出了(P+Q)D=PD+QD.對于算子情形,2009年,Castro-Gonz′alez[3]等在P2Q=PQ2=0條件下討論了P+Q的Drazin可逆性,并給出了(P+Q)D的表達式;同年,鄧春源[4]在P,Q均為冪等算子,且滿足三個不同條件PQP=0,PQP=PQ,PQP=P時給出了(P+Q)D的表達式;2011年,Cvetkovi′c[5]等在PQP=0,Q2P=0的條件下,給出了(P+Q)D的表達式;2014年,黃俊杰[6]等在P2Q+PQ2=0,P3Q=PQ3=0的條件下給出了(P+Q)D的表達式.對于P,Q為矩陣情形，學者魏益民[7]、Hartwig[8]、卜長江[9]、劉喜富[10]等獲得了很多好的結果.

為便于敘述,文中通篇采用如下的假設及符號.設X,Y是復Banach空間,記B(X,Y)是從X到Y的所有有界線性算子的集合;B(X)是從X到X的所有有界線性算子的集合;對于A∈B(X,Y),ρ(A),σ(A),r(A)分別表示其預解集,譜集,譜半徑;R(λ,A)表示算子A的預解式 (λI ? A)?1.

下面給出本文用到的定義和引理.

定義1.1設A∈B(X),若存在AD∈B(X),使得算子方程組

對某個非負整數k成立,則稱A是Drazin可逆的.對于上述方程組,若有解,則解必定唯一,這個唯一的解AD稱為A的Drazin逆,并稱使得方程組成立的最小非負整數k為A的指標,記為ind(A).當ind(A)=0時,A是可逆的,即AD=A?1.

引理1.2[11]設A∈B(X,Y),B∈B(Y,X),如果BA為Drazin可逆,那么AB也為Drazin可逆,且

引理1.3[12]設A∈B(X),則AD存在當且僅當0∈ρ(A)或0∈σ(A)為預解式R(λ,A)的一個極點,此時有

其中0＜ |λ|＜(r(AD))?1,Aπ=I?AAD,I是單位算子.

注由引理1.3可知,A的Drazin逆AD就是R(λ,A)的Laurent展開式中?λ0的系數,即

2 主要結果

引理2.1設P,Q∈B(X,Y)均是Drazin可逆的,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若P5Q=0,P2Q+PQ2=0,PQPQ=0,則

其中 0 ＜ |λ|＜ min((r(PD))?1,(r(QD))?1), Δ(λ)= λI ? Q ? R(λ,P)PQ.

證 由P5Q=0,知PDQ=0,進而PπPQ=PQ.再由P2Q+PQ2=0,知

從而當 0 ＜ |λ|＜ (r(PD))?1時,由 (1.1)式,知

注意到PQ3=P3Q,PQPQ=0,可知PQ3PQ=P3QPQ=0.由此

由(PQ)2=0以及(PQ3)2=0,知PQ,PQ3是Drazin可逆的,且(PQ)D=0,(PQ3)D=0,則

于是,當 0 ＜ |λ|＜ min((r(PD))?1,(r(QD))?1)時,

結論得證.

其中 0 ＜ |λ|＜ min((r(PD))?1,(r(QD))?1).

證令 ρ(Δ)={λ ∈ C:Δ(λ)可逆}.顯然,ρ(M)Tρ(P)= ρ(P)Tρ(Δ).則當 λ ∈ρ(M)∩ρ(P)時,

由(2.3),(2.1),(2.2)式,以及PQPQ=0,有

于是,便有

引理得證.

引理2.3設P,Q∈B(X,Y)均是Drazin可逆的,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若P5Q=0,P2Q+PQ2=0,PQPQ=0,則下列結論成立.

(i)R(λ,Q)R(λ,P)的Laurent展開式中?λ0的系數為

(ii)λ?2R(λ,Q)PQR(λ,P)的 Laurent展開式中 ?λ0的系數為

(iii)λ?4R(λ,Q)PQ3R(λ,P)的 Laurent展開式中 ?λ0的系數為

(iv)R(λ,Q)(I+λ?2PQ+λ?4PQ3)R(λ,P)的Laurent展開式中?λ0的系數為U?V+W,其中

證根據R(λ,P)和R(λ,Q)的Laurent展開,即可得到(i),(ii),(iii)中的結論.又注意到

這樣便由(i),(ii),(iii)可得結論(iv).

定理2.4設P,Q∈B(X,Y)均是Drazin可逆的,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若P5Q=0,P2Q+PQ2=0,PQPQ=0,則P+Q是Drazin可逆的,且

其中U,V,W見引理2.3.

注意到 (I+ λ?2PQ+ λ?4PQ3)R(λ,P)和 R(λ,Q)(I+λ?2PQ+λ?4PQ3)的 Laurent展開式中?λ0的系數分別為PD+PQ(PD)3+PQ3(PD)5和QD+(QD)3PQ+(QD)5PQ3.于是,由引理1.3和引理2.2,有

由PDQ=0,PQD=0,以及PPD=PDP知

定理得證.

由定理2.4,有如下推論.

推論2.5設P,Q∈B(X,Y)為Drazin可逆,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若PQ=0,則

推論2.6設P,Q∈B(X,Y)為Drazin可逆,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若P5Q=0,P2Q+PQ2=0,PQP=0,則

推論2.7設P,Q∈B(X,Y)為Drazin可逆,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若P5Q=0,P2Q+PQ2=0,QPQ=0,則

推論2.8設P,Q∈B(X,Y)為Drazin可逆,且ind(P)=t,ind(Q)=s.若P3Q=0,P2Q+PQ2=0,PQPQ=0,則

3 應用

定理3.1若A2B=ABCB=CBCB=0,CAB+DCB=0,則算子矩陣M 是Drazin可逆的,且

其中

由此,根據已知條件,有P3Q=0,P2Q+PQ2=0,PQPQ=0.又由引理1.4,有

定理得證.

推論3.2[14]若A2B=0,BCB=0,CAB=0,DCB=0,則

推論3.3若A2B=CB=CAB=0,則

推論3.4[15]若AB=CB=0,則

參考文獻

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