Numerical methods and accurate computations with structured matrices

Esta tesis doctoral es un compendio de 11 artículos científicos. El tema principal de la tesis es el Álgebra Lineal Numérica, con énfasis en dos clases de matrices estructuradas: las matrices totalmente positivas y las M-matrices. Para algunas subclases de estas matrices, es posible desarrollar algoritmos para resolver numéricamente varios de los problemas más comunes en álgebra lineal con alta precisión relativa independientemente del número de condición de la matriz. La clave para lograr cálculos precisos está en el uso de una parametrización diferente que represente la estructura especial de la matriz y en el desarrollo de algoritmos adaptados que trabajen con dicha parametrización.Las matrices totalmente positivas no singulares admiten una factorización única como producto de matrices bidiagonales no negativas llamada factorización bidiagonal. Si conocemos esta representación con alta precisión relativa, se puede utilizar para resolver ciertos sistemas de ecuaciones y para calcular la inversa, los valores propios y los valores singulares con alta precisión relativa. Nuestra contribución en este campo ha sido la obtención de la factorización bidiagonal con alta precisión relativa de matrices de colocación de polinomios de Laguerre generalizados, de matrices de colocación de polinomios de Bessel, de clases de matrices que generalizan la matriz de Pascal y de matrices de q-enteros. También hemos estudiado la extensión de varias propiedades óptimas de las matrices de colocación de B-bases normalizadas (que en particular son matrices totalmente positivas). En particular, hemos demostrado propiedades de optimalidad de las matrices de colocación del producto tensorial de B-bases normalizadas.Si conocemos las sumas de filas y las entradas extradiagonales de una M-matriz no singular diagonal dominante con alta precisión relativa, entonces podemos calcular su inversa, determinante y valores singulares también con alta precisión relativa. Hemos buscado nuevos métodos para lograr cálculos precisos con nuevas clases de M-matrices o matrices relacionadas. Hemos propuesto una parametrización para las Z-matrices de Nekrasov con entradas diagonales positivas que puede utilizarse para calcular su inversa y determinante con alta precisión relativa. También hemos estudiado la clase denominada B-matrices, que está muy relacionada con las M-matrices. Hemos obtenido un método para calcular los determinantes de esta clase con alta precisión relativa y otro para calcular los determinantes de las matrices de B-Nekrasov también con alta precisión relativa. Basándonos en la utilización de dos matrices de escalado que hemos introducido, hemos desarrollado nuevas cotas para la norma infinito de la inversa de una matriz de Nekrasov y para el error del problema de complementariedad lineal cuando su matriz asociada es de Nekrasov. También hemos obtenido nuevas cotas para la norma infinito de las inversas de Bpi-matrices, una clase que extiende a las B-matrices, y las hemos utilizado para obtener nuevas cotas del error para el problema de complementariedad lineal cuya matriz asociada es una Bpi-matriz. Algunas clases de matrices han sido generalizadas al caso de mayor dimensión para desarrollar una teoría para tensores extendiendo la conocida para el caso matricial. Por ejemplo, la definición de la clase de las B-matrices ha sido extendida a la clase de B-tensores, dando lugar a un criterio sencillo para identificar una nueva clase de tensores definidos positivos. Hemos propuesto una extensión de la clase de las Bpi-matrices a Bpi-tensores, definiendo así una nueva clase de tensores definidos positivos que puede ser identificada en base a un criterio sencillo basado solo en cálculos que involucran a las entradas del tensor. Finalmente, hemos caracterizado los casos en los que las matrices de Toeplitz tridiagonales son P-matrices y hemos estudiado cuándo pueden ser representadas en términos de una factorización bidiagonal que sirve como parametrización para lograr cálculos con alta precisión relativa.<br /

Algorithms for curve design and accurate computations with totally positive matrices

Esta tesis doctoral se enmarca dentro de la teoría de la Positividad Total. Las matrices totalmente positivas han aparecido en aplicaciones de campos tan diversos como la Teoría de la Aproximación, la Biología, la Economía, la Combinatoria, la Estadística, las Ecuaciones Diferenciales, la Mecánica, el Diseño Geométrico Asistido por Ordenador o el Álgebra Numérica Lineal. En esta tesis nos centraremos en dos de los campos que están relacionados con matrices totalmente positivas.This doctoral thesis is framed within the theory of Total Positivity. Totally positive matrices have appeared in applications from fields as diverse as Approximation Theory, Biology, Economics, Combinatorics, Statistics, Differential Equations, Mechanics, Computer Aided Geometric Design or Linear Numerical Algebra. In this thesis, we will focus on two of the fields that are related to totally positive matrices.<br /

Accurate computation of the Moore-Penrose inverse of strictly totally positive matrices

The computation of the Moore-Penrose inverse of structured strictly totally positive matrices is addressed. Since these matrices are usually very ill-conditioned, standard algorithms fail to provide accurate results. An algorithm based on the factorization and which takes advantage of the special structure and the totally positive character of these matrices is presented. The first stage of the algorithm consists of the accurate computation of the bidiagonal decomposition of the matrix. Numerical experiments illustrating the good behavior of our approach are included.Numerical experiments illustrating the good behavior of our approach are included

Accurate computations with Wronskian matrices of Bessel and Laguerre polynomials

This paper provides an accurate method to obtain the bidiagonal factorization of Wronskian matrices of Bessel polynomials and of Laguerre polynomials. This method can be used to compute with high relative accuracy their singular values, the inverse of these matrices, as well as the solution of some related systems of linear equations. Numerical examples illustrating the theoretical results are included. © 2022 The Author

Bidiagonal decompositions of Vandermonde-type matrices of arbitrary rank

We present a method to derive new explicit expressions for bidiagonal decompositions of Vandermonde and related matrices such as the (q-, h-) Bernstein-Vandermonde ones, among others. These results generalize the existing expressions for nonsingular matrices to matrices of arbitrary rank. For totally nonnegative matrices of the above classes, the new decompositions can be computed efficiently and to high relative accuracy componentwise in floating point arithmetic. In turn, matrix computations (e.g., eigenvalue computation) can also be performed efficiently and to high relative accuracy

Accurate computations with Lupas matrices

Lupas q-analogues of the Bernstein functions play an important role in Approximation Theory and Computer Aided Geometric Design. Their collocation matrices are called Lupas matrices. In this paper, we provide algorithms for computing the bidiagonal decomposition of these matrices and their inverses to high relative accuracy. It is also shown that these algorithms can be used to perform to high relative accuracy several algebraic calculations with these matrices, such as the calculation of their inverses, their eigenvalues or their singular values. Numerical experiments are included

Accurate and fast computations with Green matrices

This paper provides a linear time complexity method to obtain the bidiagonal decomposition of Green matrices with high relative accuracy. In addition, when the Green matrix is nonsingular and totally positive, this bidiagonal decomposition can be used to compute the eigenvalues, the inverse and the solution of some linear system of equations with high relative accuracy. A numerical example illustrates the advantages of this method