미니맥스 정리

Min-max theorem

선형대수학 기능분석에서 min-max 정리 또는 변수 정리, 또는 Courant-Fischer-Weyl min-max 원리힐버트 공간에서 소형 에르미타트 연산자의 고유값의 가변적 특성화를 주는 결과물이다.그것은 비슷한 성격의 많은 결과의 출발점으로 볼 수 있다.

이 기사는 무한 차원 힐버트 공간의 콤팩트한 연산자를 고려하기 전에 유한 차원 사례와 그 적용에 대해 먼저 논한다.우리는 콤팩트한 연산자의 경우, 주 정리의 증명이 본질적으로 유한차원적 주장으로부터 동일한 사상을 사용한다는 것을 알게 될 것이다.

연산자가 헤르미티아인이 아닌 경우, 정리는 관련 단수 값에 동등한 특성화를 제공한다.min-max 정리는 아래 경계가 있는 자기 적응 연산자까지 확장할 수 있다.

행렬

A 은둔의 행렬이 되게 하라.고유값에 대한 다른 많은 변동 결과와 마찬가지로, 사람들은 Rayleigh-Ritz지수A R : Cn \ {0} → R에 의해 정의된 R을 고려한다.

여기서 (⋅, ⋅)Cn 있는 유클리드 내측 제품을 나타낸다.분명히 고유 벡터의 Rayleigh 몫은 연관된 고유값이다.동등하게, Rayleigh-Ritz 지수를 다음으로 대체할 수 있다.

에르미트 행렬 A의 경우, 연속 함수 RA(x) 또는 f(x)의 범위는 실제 선의 콤팩트 서브셋 [a, b]이다.최대 b와 최소 a는 각각 A의 가장 큰 고유값과 가장 작은 고유값이다.미니맥스 정리는 이 사실을 정교하게 다듬은 것이다.

미니맥스 정리

A를 고유값 λ1 ≤을 가진 은둔자 행렬 되게 하라.λk ≤ ... 그럼 thenn

그리고

특히

그리고 이러한 한계는 x가 적절한 고유값의 고유 벡터일 때 달성된다.

또한 최대 고유값 λn 대한 간단한 공식은 다음과 같다.

마찬가지로 최소 고유값 λ1 다음과 같이 주어진다.

증명

행렬 A는 은둔자이기 때문에 대각선이 가능하며 고유 벡터 {u1, ..., un}의 직교 기준을 선택할 수 있다. 즉, ui 고유값 λi 고유 벡터로서 모든 i ui j에 대해 (ui, u) = 1 (ui, uj) = 0이다.

U가 치수 k의 하위 공간인 경우, 그 하위 공간 범위{uk, ..., un}와의 교차점이 0이 아니므로(단순히 치수 확인으로) 이 교차로에는 벡터 v 0이 존재하며, 따라서 우리는 이 교차로에 다음과 같이 기록할 수 있는 벡터 v ≠ 0이 있다.

그리고 레일리 지수가 누구지?

(모든 \ \ 및 따라서 i=k, ..,n.

이것은 모든 U에게 해당되기 때문에, 우리는 다음과 같이 결론을 내릴 수 있다.

이것은 하나의 불평등이다.다른 불평등을 설정하기 위해 특정 k-차원 공간 V = span{u1, ..., uk}을(를) 선택하십시오.

왜냐하면 V에서 가장 큰 고유값이기 때문이다.그러므로, 또한


U가 차원 n-k+1의 하위 공간인 경우, 우리는 유사한 방식으로 진행한다: 차원 k, span{u1, ..., uk}의 하위 공간을 고려하라.서브 스페이스 U와의 교차점은 0이 아니므로(단순히 치수 확인으로) 이 교차점에는 벡터 v가 존재하며, 우리는 이를 다음과 같이 쓸 수 있다.

그리고 레일리 지수가 누구지?

그래서

이것은 모든 U에게 해당되기 때문에, 우리는 다음과 같이 결론을 내릴 수 있다.

다시 말하지만, 이것은 방정식의 한 부분이다.다른 불평등을 얻기 위해서는 의 고유벡터 u가 U = span{uk, ..., un}에 포함되어 있다는 것을 다시 한 번 주목하여 평등을 결론짓는다.

비헤르미티아인 사례의 백범시본

N을 영점 행렬로 두십시오.

Rayleigh 지수 ( ) 을(를) 위와 같이 정의하십시오.반면 레일리 비율의 최대값.mw-parser-output 그럼 그것이 N의 유일한 고유치가 0을 볼, .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .den 쉽다.{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1/2.즉, Rayleigh quotient의 최대값이 최대 고유값보다 크다.

적용들

최소-최대 단수 값에 대한 원리

정사각형 행렬 M단수 값 {σk}은 M*M(동일하게 MM*)의 고유값의 제곱근이다.최소-최대 정리에서의 첫 번째 동일성의 즉각적인 결과는[citation needed] 다음과 같다.

마찬가지로

Here denotes the kth entry in the increasing sequence of σ's, so that .

코치 인터레이싱 정리

A를 대칭 n × n 행렬이 되게 하라.m × m 행렬 B, 여기서 m m n은 PAP* = B와 같은 치수 m의 하위 공간에 직교 투영 P가 존재하는 경우 A의 압축이라고 불린다.Cauchy interlacing 정리에는 다음과 같이 명시되어 있다.

정리.A의 고유값이 α1 ≤이면 ... αn, 그리고 B의 것은 β1 ...이다.βj ≤ ... βm, 그 다음 모든 j for m에 대해,

이것은 최소-최대 원칙을 사용하여 증명할 수 있다.βi 해당하는 고유벡터 bi sj j 치수 아공간j S = span{b1, ..., bj}이 되도록 한다.

min-max의 제1부에 의하면 αjβj. 한편mj+1 S = span{bj, ..., b}m 정의하면,

여기서 min-max의 두 번째 부분에 의해 마지막 불평등이 주어진다.

n - m = 1일 때, 우리j α α βj αj+1 가지고 있으므로 상호연속 정리라는 명칭이 있다.

소형 연산자

힐베르트 공간 H. 그러한 연산자스펙트럼(유전값 집합)이 0인 실제 숫자의 집합이라는 을 상기하라.따라서 A의 양의 고유값을 다음과 같이 나열하는 것이 편리하다.

매트릭스 사례에서와 같이 다중성으로 항목이 반복되는 경우.(순서가 감소하고 있음을 강조하기 위해 k= H가 무한 차원일 때 위의 고유값 순서는 반드시 무한정이다.우리는 이제 매트릭스 케이스에서와 같은 추론을 적용한다.SkHk차원 아공간으로 두면 다음과 같은 정리를 얻을 수 있다.

정리(최소-최대).힐버트 공간 H에서 A가 콤팩트하고 자기 적응력이 뛰어난 연산자가 되도록 하자. 이 연산자의 고유값은 감소 순서에 따라 나열된다. ... ... … ≤ λk1. 그럼:

유사한 한 쌍의 동등성은 음의 고유값을 유지한다.

증명

Let' S'는 선형 범위 ′ =span{ k, k+ 1, 의 닫힘으로 한다S' 하위공간에는 codimension k - 1. 매트릭스 사례에서와 동일한 치수 계수 인수에 의해 S' sk S는 비어 있지 않다. = 1 \ x을(를) 가진 x ∈ S'k 존재한다 S'의 요소이기 때문에 그러한 x는 반드시 충족된다.

그러므로 모든 Sk 대하여

그러나 A는 콤팩트하기 때문에 f(x) = (Ax, x) 함수는 약하게 연속된다.게다가 H에 있는 경계 세트는 모두 약하게 소형이다.이를 통해 최소값을 다음과 같이 대체할 수 있다.

그렇게

S = 1,, k{\\{ .

이것은 소형 자기 적응 연산자를 위한 min-max 정리의 첫 번째 부분이다.

이와 유사하게 직교보완물이 Sk−1 표시되는 a (k - 1)차원 아공간k−1 S를 고려한다.S' = span{u1...uk}인 경우

그렇게

이것은 내포하고 있다.

A의 콤팩트함을 적용한 곳k-1차원 서브스페이스의 집합으로 위의 내용을 색인화한다.

Sk−1 = span{u1, ..., uk−1}를 선택하면 추론한다.

자가 승인 연산자

min-max 정리는 (아마도 무한정) 자기 적응 연산자에도 적용된다.[1][2]필수 스펙트럼은 유한 다중의 분리된 고유값이 없는 스펙트럼이다.때때로 우리는 필수 스펙트럼 아래에 몇 가지 고유값을 가지고 있으며, 우리는 고유값과 고유특성의 근사치를 원한다.

정리(최소-최대).A를 자인하고 E E ⋯ ⋯ { { { { { { { { { { { { { { { le le le \ \ \ } le le le le le le le le le le le le le \ le \ \ \ le \ \ \ le \ \ \ \ \ \ \ \그러면

.

N 고유값만 있고 따라서 고유값이 소진된 경우, N>N En e ) {\ \_{ess}(필수 스펙트럼의 하단)을 int-max로 교체한 후 위의 문장이 유지된다.

정리(최대-최소).A를 자인하고 E E ⋯ ⋯ { { { { { { { { { { { { { { { le le le \ \ \ } le le le le le le le le le le le le le \ le \ \ \ le \ \ \ le \ \ \ \ \ \ \ \그러면

.

N 고유값만 있고 따라서 고유값이 소진된 경우, N > N e 필수 스펙트럼 하단)을 허용하고, 위의 문장은 최대 분량을 Sup-inf로 대체한 후 유지한다.

증명서는[1][2] 자가 임명 연산자에 대해 다음과 같은 결과를 사용한다.

정리.A가 자숙하도록 하라. 다음(- ) \ ()[ E , 대한 (A- E ) [ 표시 스타일 )만 해당[1]: 77
정리.A가 자칭인 경우

그리고

.[1]: 77

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d G. Teschl, 양자역학의 수학적 방법들 (GSM 99) https://www.mat.univie.ac.at/~them/schlo/schroe.pdf
  2. ^ a b Lieb; Loss (2001). Analysis. GSM. Vol. 14 (2nd ed.). Providence: American Mathematical Society. ISBN 0-8218-2783-9.
  • M. 리드와 B.Simon, Methods of Modern Mathematical Physics IV: Operators, Academic Press, 1978.