Definition 1. Consider the partitioned matrix
A=[A11A12A21A22]A=\left[\begin{array}{ll} A_{11} & A_{12} \\ A_{21} & A_{22} \end{array}\right] A=[A11​A21​​A12​A22​​]

  1. When A11A_{11}A11​ is nonsingular, A22−A21A11−1A12A_{22}-A_{21} A_{11}^{-1} A_{12}A22​−A21​A11−1​A12​ is called the Schur complement of A11A_{11}A11​ in AAA, denoted by Sch(A11)S_{c h}\left(A_{11}\right)Sch​(A11​).
  2. When A22A_{22}A22​ is nonsingular, A11−A12A22−1A21A_{11}-A_{12} A_{22}^{-1} A_{21}A11​−A12​A22−1​A21​ is called the Schur complement of A22A_{22}A22​ in AAA, denoted by Sch (A22)S_{\text {ch }}\left(A_{22}\right)Sch ​(A22​).

Lemma 1. Let =eq\stackrel{eq}{=}=eq represent the equivalence relation between two matrices. Then for the partitioned matrix AAA the following conclusions hold.

  1. When A11A_{11}A11​ is nonsingular, A=eq[A1100A22−A21A11−1A12]=[A1100Sch(A11)]A \stackrel{eq}{=}\left[\begin{array}{cc} A_{11} & 0 \\ 0 & A_{22}-A_{21} A_{11}^{-1} A_{12} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc} A_{11} & 0 \\ 0 & S_{ch}\left(A_{11}\right) \end{array}\right] A=eq[A11​0​0A22​−A21​A11−1​A12​​]=[A11​0​0Sch​(A11​)​] and hence AAA is nonsingular if and only if Sch(A11)S_{c h}\left(A_{11}\right)Sch​(A11​) is nonsingular, and det⁡A=det⁡A11det⁡Sch(A11)\operatorname{det} A=\operatorname{det} A_{11}\operatorname{det} S_{c h}\left(A_{11}\right) detA=detA11​detSch​(A11​)
  2. When A22A_{22}A22​ is nonsingular, A=eq[A11−A12A22−1A2100A22]=[Sch(A22)00A22]A \stackrel{eq}{=}\left[\begin{array}{cc} A_{11}-A_{12} A_{22}^{-1} A_{21} & 0 \\ 0 & A_{22} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc} S_{c h}\left(A_{22}\right) & 0 \\ 0 & A_{22} \end{array}\right] A=eq[A11​−A12​A22−1​A21​0​0A22​​]=[Sch​(A22​)0​0A22​​] hence AAA is nonsingular if and only if Sch(A22)S_{c h}\left(A_{22}\right)Sch​(A22​) is nonsingular, and det⁡A=det⁡A22det⁡Sch(A22)\operatorname{det} A=\operatorname{det} A_{22}\operatorname{det} S_{c h}\left(A_{22}\right)detA=detA22​detSch​(A22​).
    note: refer to https://blog.csdn.net/weixin_44382195/article/details/102991813 for the definition of the equivalence relation.

Lemma 2. Given the matrices A11=A11T,A22=A22TA_{11}=A_{11}^{T}, A_{22}=A_{22}^{T}A11​=A11T​,A22​=A22T​ and A12A_{12}A12​ with appropriate dimensions. The following LMIs are equivalent:

  1. [A11A12A12TA22]≻0\left[\begin{array}{cc}A_{11} & A_{12} \\ A_{12}^{T} & A_{22}\end{array}\right]\succ0[A11​A12T​​A12​A22​​]≻0
  2. A22=A22T≻0;A11−A12A22−1A12T≻0A_{22}=A_{22}^{T}\succ0 ; A_{11}-A_{12} A_{22}^{-1} A_{12}^{T}\succ0A22​=A22T​≻0;A11​−A12​A22−1​A12T​≻0
  3. A11=A11T≻0;A22−A12TA11−1A12≻0A_{11}=A_{11}^{T}\succ0 ; A_{22}-A_{12}^{T} A_{11}^{-1} A_{12}\succ0A11​=A11T​≻0;A22​−A12T​A11−1​A12​≻0.

Lemma 3. Given the matrices A=AT,C=CTA=A^{T}, C=C^{T}A=AT,C=CT and BBB with appropriate dimensions. The following LMIs are equivalent:

  1. [A11A12A12TA22]≺0\left[\begin{array}{cc}A_{11} & A_{12} \\ A_{12}^{T} & A_{22}\end{array}\right]\prec0[A11​A12T​​A12​A22​​]≺0
  2. A22=A22T≺0;A11−A12A22−1A12T≺0A_{22}=A_{22}^{T}\prec0 ; A_{11}-A_{12} A_{22}^{-1} A_{12}^{T}\prec0A22​=A22T​≺0;A11​−A12​A22−1​A12T​≺0
  3. A11=A11T≺0;A22−A12TA11−1A12≺0A_{11}=A_{11}^{T}\prec0 ; A_{22}-A_{12}^{T} A_{11}^{-1} A_{12}\prec0A11​=A11T​≺0;A22​−A12T​A11−1​A12​≺0.

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