스펙트럼 반지름

Spectral radius

수학에서 사각 행렬 또는 경계 선형 연산자스펙트럼 반경고유값의 최대 절대값(, 스펙트럼 내 원소의 절대값우월함)이다. ρ(·)로 표기하기도 한다.

행렬

λ1, ..., λn 행렬 ACn×n (실제 또는 복합) 고유값이 되게 하라. 스펙트럼 반경 radius(A)은 다음과 같이 정의된다.

스펙트럼 반경은 매트릭스의 모든 규범에 대한 일종의 최소치다. Indeed, on the one hand, for every natural matrix norm ; and on the other hand, Gelfand's formula states that . Both these results는 다음과 같다.

However, the spectral radius does not necessarily satisfy for arbitrary vectors . To see why, let be arbitrary and consider the matrix

=( r- 1 )

The characteristic polynomial of is , so its eigenvalues are and thus . However, 그 결과 표준에 대해,

Gelfand 공식의 예로서 k= I = potty 으로fty C = {\}={ 주목한다. (가) 짝수일 I 이(가) 홀수일 경우 =

A special case in which for all is when is a Hermitian matrix and is the Euclidean norm. 이는 모든 에르미트 행렬이 단일 행렬에 의해 대각선화할 수 있고, 단일 행렬은 벡터 길이를 보존하기 때문이다.

경계 선형 연산자

Banach 공간의 경계 선형 연산자 A의 경우 고유값은 연산자의 스펙트럼으로 되며, - I{\ 대한 값 {{\이(가) 비주사적이지 않으며, 우리는 다음과 같이 스펙트럼을 나타낸다.

스펙트럼 반경은 스펙트럼 내 원소 규모의 우월성으로 정의된다.

연산자 규범을 { {\ \\ \cdot \으로 표시하면 스펙트럼 반경 공식이나 Gelfand의 공식은 다음과 같다.

(복합 힐버트 공간에 있는) 경계 연산자는 스펙트럼 반경이 수치 반지름과 일치하면 스펙트럼 분석 연산자라고 불린다. 그러한 연산자의 예로는 정상 연산자가 있다.

그래프

유한 그래프의 스펙트럼 반경은 인접 행렬의 스펙트럼 반경으로 정의된다.

이 정의는 정점의 경계가 있는 무한 그래프의 경우로 확장된다(즉, 그래프의 모든 꼭지점의 정도가 C보다 작을 정도로 일부 실제 숫자 C가 존재한다). 이 경우 그래프 G에 대해 다음을 정의한다.

G:의 인접 연산자가 되도록 한다.

G의 스펙트럼 반경은 경계 선형 연산자 γ의 스펙트럼 반경으로 정의된다.

상한

행렬의 스펙트럼 반경에 대한 상한

다음 명제는 행렬의 스펙트럼 반경에 대한 단순하지만 유용한 상한을 보여준다.

제안. 스펙트럼 반경 ρ(A)일관된 행렬 규범 ⋅을 가진 ACn×n 두십시오. 각 정수 1 1에 대해

증명

(v, λ) 행렬 A에 대한 고유 벡터- 고유값 쌍이 되도록 한다. 행렬 표준의 하위 곱셈 특성에 의해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

그리고 v ≠ 0 이후로 우리는

따라서

그래프의 스펙트럼 반경에 대한 상한

정점 수 n과 가장자리 수 m 측면에서 그래프의 스펙트럼 반경에 대한 상한이 많다. 예를 들어, 다음과 같다.

여기서 은(는) 정수임[1]

동력 시퀀스

정리

스펙트럼 반경은 매트릭스 동력 시퀀스의 수렴 작용과 밀접하게 관련된다. 즉, 다음 정리는 다음을 유지한다.

정리. ACn×n 스펙트럼 반경 ρ(A)으로 한다. 그렇다면 ρ(A) < 1은 만일 그렇다면 그리고 단지
반면 ρ(A) > 1이면 k Ak= = \ Cn×n 행렬 규범의 어떠한 선택에도 이 성명은 유효하다.

정리증거

문제의 한도가 0이라고 가정하면 ((A) < 1. let (v, λ)은 A의 고유 벡터 고유값 쌍이 되도록 한다. Avk = vv이므로k:

그리고, 가설 v 0에 의해서, 우리는 반드시

즉, < < 1. 이것은 어떤 고유값 λ에 대해서도 사실이어야 하므로 ρ(A) < 1을 결론지을 수 있다.

이제 A의 반지름이 1보다 작다고 가정하자. 요르단 정상 형태 정리로부터 우리는 모든 A cn×n C에 대해 다음과 같은 V, J cn×n C와 V 비송음, J 블록 대각선이 존재한다는 것을 알고 있다.

와 함께

어디에

는 것을 쉽게 알 수 있다.

그리고, J는 블록 대각선이기 때문에,

, m m Jordan 블록의 k-power에 대한 표준 결과에 따르면 - {\k\ m_1

따라서 ( )< 1 의 경우 모든 i < 1 }. 따라서 우리가 가진 모든 것은 다음과 같다.

그 말은

그러므로

반대편에서는 ()> 1 }이가), 적어도 J에는 k가 증가함에 따라 경계가 유지되지 않는 요소가 하나 있으므로, 성명의 두 번째 부분을 증명한다.

겔판드의 공식

정리

다음 정리는 스펙트럼 반경을 매트릭스 규범의 한계로 제시한다.

정리(Gelfand's Formula; 1941). 어떤 매트릭스 규범 ⋅에 대하여, 우리는 다음과 같다.
( )= k 1 k.{\ (A \}\{^{\k[2]

증명

어떤 ε > 0에 대해 먼저 다음 두 개의 행렬을 구성한다.

다음:

먼저 이전의 정리+ A:에 적용한다.

즉, 시퀀스 한계 정의에 의해 모든+ k ≥ N에+ 대해 N ∈ N이 존재한다는 것을 의미한다.

그렇게

이전 정리를 A 적용하는 것은 A- \가) 경계가 없으며 모든 k ≥ N에 대해 N exists N이 존재함을 의미한다.

그렇게

N = max{N+, N}(를) 사용하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

정의상으로는

헬프랜드 산호관

Gelfand의 공식은 미세하게 많은 행렬이 있는 제품의 스펙트럼 반경에 대한 경계로 직결된다. 즉, 그것들이 모두 우리가 얻는 통근이라고 가정한다.

실제로 규범이 일치하는 경우, 증거는 논문보다 더 많은 것을 보여준다. 사실, 이전 보조정리기를 사용하여 왼쪽 하한을 스펙트럼 반경 자체로 대체하고 보다 정확하게 다음과 같이 쓸 수 있다.

정의상으로는

여기서 +는 한계에 대해 위에서 접근하는 것을 의미한다.

행렬 고려

이들의 고유값은 5, 10, 10이며, 정의상 ρ(A) = 10이다. In the following table, the values of for the four most used norms are listed versus several increasing values of k (note that, due to the particular form of this matrix,):

k
1 14 15.362291496 10.681145748
2 12.649110641 12.328294348 10.595665162
3 11.934831919 11.532450664 10.500980846
4 11.501633169 11.151002986 10.418165779
5 11.216043151 10.921242235 10.351918183
10 10.604944422 10.455910430 10.183690042
11 10.548677680 10.413702213 10.166990229
12 10.501921835 10.378620930 10.153031596
20 10.298254399 10.225504447 10.091577411
30 10.197860892 10.149776921 10.060958900
40 10.148031640 10.112123681 10.045684426
50 10.118251035 10.089598820 10.036530875
100 10.058951752 10.044699508 10.018248786
200 10.029432562 10.022324834 10.009120234
300 10.019612095 10.014877690 10.006079232
400 10.014705469 10.011156194 10.004559078
1000 10.005879594 10.004460985 10.001823382
2000 10.002939365 10.002230244 10.000911649
3000 10.001959481 10.001486774 10.000607757
10000 10.000587804 10.000446009 10.000182323
20000 10.000293898 10.000223002 10.000091161
30000 10.000195931 10.000148667 10.000060774
100000 10.000058779 10.000044600 10.000018232

참고 및 참조

  1. ^ Guo, Ji-Ming; Wang, Zhi-Wen; Li, Xin (2019). "Sharp upper bounds of the spectral radius of a graph". Discrete Mathematics. 342 (9): 2559–2563. doi:10.1016/j.disc.2019.05.017.
  2. ^ 이 공식은 Banach 대수학에서 사용된다. Dunford & Schwartz 1963Lax 2002, 페이지 195–197의 Lema IX.1.8을 참조한다.

참고 문헌 목록

  • Dunford, Nelson; Schwartz, Jacob (1963), Linear operators II. Spectral Theory: Self Adjoint Operators in Hilbert Space, Interscience Publishers, Inc.
  • Lax, Peter D. (2002), Functional Analysis, Wiley-Interscience, ISBN 0-471-55604-1

참고 항목