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对称Toeplitz矩阵相乘的一种快速算法

作者:张曙光

来源:《科技创新导报》2013年第26期

张曙光

(北京航空航天大学数学与系统科学学院北京100191)

摘?要:本文将Toeplitz矩阵分解为循环矩阵和下三角矩阵之和,以及一般卷积向循环卷

积的转化,借助快速Fouier算法(FFT),给出了一种对称Toeplitz矩阵相乘的快速算法,其

算法复杂性为次实乘次数,次实加次数,较之前的算法在时间复杂性上有所改善。

关键词:对称Toeplitz矩阵快速Fouier算法(FFT)算法复杂性

中图分类号:O151.21文献标识码:A文章编号:1674-098X(2013)09(b)-0219-02

AfastalgorithmforthemultiplicationofSymmetricToeplitzmatrices

ZHANGShuguang

(Schoolofmathematicsandsystemscience,BeiHangUniversity,Beijing

100191,China)

Abstract:Inthispaper,IamgoingtodecomposeaToeplitzmatrixintothe

multiplicationofacyclicmatrixanda?lowertriangularmatrix.Meanwhile,Iwill

talkabouttheconversionfromacommonconvolutionintoacyclicconvolution.

UsingthefastFouieralgorithm(FFT),Ihaveagivenoutafastalgorithmforthe

multiplicationofSymmetricToeplitzmatrices.Itsalgorithmcomplexityis

multipliestimes,plustimes.Comparedwiththeformeralgorithm,thismethodhas

improvedintimecomplexity.

Keywords:symmetricToeplitz;fastFouieralgorithm(FFT);algorithmcomplexity

Toeplitz矩阵常常出现在许多应用中,如谱分析、时序分析、线性预测、最小二乘估计、

信号处理等领域,是应用最广泛的特殊矩阵之一。

对于如下形式的Toeplitz矩阵,

(1)

它除了具有一般Toeplitz矩阵的特点(主对角线上的各元素彼此相等,平行于主对角线上

的元素也彼此相等,矩阵中的元素关于次对角线对称)外,还是一个对称矩阵,称为对称

Toeplitz矩阵,形如(1),易知它可由矩阵第一行的元素唯一确定。

有关Toeplitz矩阵快速算法的研究一直是人们普遍关注的课题[1-2]。近年来关于对称

Toeplitz矩阵的快速算法,也引起了不少学者的注意,并且已有不少研究成果,如求逆的

Trench算法,解线性方程组的Levinson算法等[3-5]。本文在前人的基础上改进和研究了两个

n阶对称Toeplitz型矩阵相乘的快速算法。主要是将Toeplitz矩阵分解为上三角和下三角

Toeplitz矩阵之和的形式,然后再结合对称Toeplitz矩阵本身的特点研究出新的快速相乘算

法。

1快速相乘算法

设两个对称Toeplitz矩阵A,B,则有,即

由上面的矩阵相乘运算可以看出下面的关系式成立:

(2)

我们可以很容易地证明(2)式成立,因为与都是对相同的项求和,只是求和的次序相反,

其值当然相等。

(2)式表明,计算,只要算出矩阵C的上三角部分元素即可。对角线以下第i行元素刚好

是对角线以上第n+1-i行元素按相反次序的排列。同样,对角线以下第j列的元素也刚好是对

角线以上第n+1-j列元素按相反次序的排列,对角线上后半部的元素刚好是前半部元素按相反

次序的排列。

下面将对阵Toeplitz矩阵分解为循环矩阵和下三角矩阵之和。如对矩阵A作如

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