形式陈述
一份有限频谱被写成
(1) Q ( e i t ) = ∑ k = − n n q k e i k t , q − k = q k ― , q 0 ∈ R . 共轭对称使它在整个圆周上取实值,但实值不保证非负。现在想找到一个有限滤波器,使其功率恰等于这份频谱,而不是仅在几个采样频率上拟合。
令 T = { z ∈ C : | z | = 1 } 。在复数 理路 复数 Complex number 形如 a+bi 的数,按坐标规则构成实数域的二次扩张。 上,允许有限负幂的 Q ( z ) = ∑ q k z k 称为Laurent多项式;所求因子则属于普通多项式环 理路 多项式环 Polynomial ring 系数来自给定环、以形式不定元构造的多项式集合。 C [ z ] 。标量Fejér–Riesz定理 给出完整等价:
(2) Q ( z ) ≥ 0 ( z ∈ T ) ⟺ Q ( z ) = | p ( z ) | 2 ( z ∈ T ) 其中可取 p ( z ) = ∑ j = 0 n a j z j 。右侧是圆周上的恒等式,不能把 | p ( z ) | 2 当成整个复平面上的全纯多项式。
若 Q ≡ 0 ,唯一的多项式因子是 p ≡ 0 。若 Q ≢ 0 ,设它的实际阶数 为 m = max { | k | : q k ≠ 0 } ;则存在唯一满足
(3) deg p = m , p ( z ) ≠ 0 ( | z | < 1 ) , p ( 0 ) > 0 的因子。这里 p ( 0 ) > 0 指正实数,固定了整体相位;无开圆盘零点的标量多项式常称外因子。它仍可在单位圆上有零点。只有 Q 处处严格正 ,规范因子才在闭圆盘无零点。
系数形式就是可复核证书
展开模平方,式(2)等价于全部有限卷积等式
(4) q k = ∑ j = 0 m − k a j + k a j ― , 0 ≤ k ≤ m , q − k = q k ― . 所以给出一份候选系数表后,无需在圆周上采样就能核验恒等式;至多二次量级的复数乘加足够。若还声称它是规范因子,必须另核全部根的位置与 a 0 > 0 。系数恒等式本身不选择根。
为什么可以只取一半的根
非零常数情形直接取 p = q 0 。以下设 m ≥ 1 ,把负幂清除:
R ( z ) = z m Q ( z ) . R 的次数恰为 2 m ,常数项与最高系数均非零。共轭对称给出
(5) R ( z ) = z 2 m R ( 1 / z ― ) ― . 利用复数域上每个多项式都完全分裂 理路 代数闭包 Algebraic closure 在不加入超越元素的前提下,使基域上的所有代数方程都能获得全部根的扩域。 ,式(5)说明非单位圆根按 α , 1 / α ― 配对,并具有相同重数。零不可能是根。
单位圆上的根要单独处理。若 e i t 0 是零点,则实解析函数 t ↦ Q ( e i t ) 在 t 0 附近非负,其第一个非零Taylor项必为正系数的偶次项;否则两侧变号或两侧为负。局部变量 z = e i t 的导数不为零,乘子 z m 也不为零,故 R 在该点的复零点重数同样为偶数。
每对不在圆上的根,取圆外那一个及其全部重数;每个圆上根,取其重数的一半。一共选出 m 个根,令它们生成多项式 h ,并记
h # ( z ) = z m h ( 1 / z ― ) ― . h h # 与 R 的次数、全部根及重数一致,因此 R = κ h h # 。在圆周上,z − m h h # = | h | 2 。选一个不是零点的位置,由 Q > 0 得 κ > 0 ;取 p = κ h 再调整单位相位,使 p ( 0 ) > 0 ,便得到式(3)。
反向的非负性立即来自模平方。唯一性也由同一根表得到:不许开圆盘根,就强制选择每对的圆外成员;边界根的半重数也已固定,只剩整体相位与正尺度,而式(2)和 p ( 0 ) > 0 分别固定它们。这里没有预先假设 Q 严格正,所以包含边界零点。
直觉
Q 只看见一个复振幅的长度,遗失了相位。单位圆把互反共轭的两个根看成同一种长度变化:对 α ≠ 0 ,
(6) | z − α | = | α | | z − 1 / α ― | ( | z | = 1 ) . 因此可以把根从圆内反射到圆外,并补偿尺度,而不改变功率。规范因子选定“所有根都在外侧”的一份答案。它不是在众多频率上寻找一个近似平方根,而是在有限根表中作兼容的整体选择。
采用规范化圆周测度 理路 Fourier 级数 Fourier series · 傅里叶级数 把周期函数投影到整数频率的正交指数基上所得的离散频谱展开。 d m = d t / ( 2 π ) ,正交性还给
(7) ∫ T Q d m = q 0 = ∑ j = 0 m | a j | 2 . 这条总能量等式容易核,却仍不足以替代所有非零频率的式(4)。只有总能量相同的两个滤波器,功率曲线通常不同。
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例子与边界
边界非负不等于有稳定逆
取
p ( z ) = ( 1 − z ) ( 1 − z / 2 ) = 1 − 3 2 z + 1 2 z 2 . 式(4)给
(8) Q ( e i t ) = 7 2 − 9 2 cos t + cos 2 t . 因子根为 1 , 2 ,没有开圆盘根且 p ( 0 ) = 1 ,所以它已经规范。功率在 t = 0 为零;R = z 2 Q 在 z = 1 有二重根,而 p 只取一重。这里不能再要求“根严格在圆外”。
反射根 2 可得到另一份同功率因子
p ~ ( z ) = ( 1 − z ) ( z − 1 / 2 ) = − 1 2 + 3 2 z − z 2 . 它的根 1 / 2 在圆内,所以不是规范因子。即使选回规范的 p ,边界根 1 仍使通常的稳定逆失效:若 1 / p 有绝对可和的幂级数系数,其级数就在闭圆盘连续,并满足 p ( z ) ( 1 / p ( z ) ) = 1 ;在 z = 1 代入便矛盾。
严格正的复系数例
令
p ( z ) = ( 1 − z / 2 ) ( 1 + i z / 3 ) = 1 + ( − 1 2 + i 3 ) z − i 6 z 2 . 两根为 2 , 3 i 。对应系数是
(9) q 0 = 25 18 , q 1 = − 5 9 + 5 i 12 , q 2 = − i 6 . 每个 | 1 − z / α | 在圆周上位于 1 − 1 / | α | 与 1 + 1 / | α | 之间,因此
1 9 ≤ Q ( z ) ≤ 4 ( z ∈ T ) . 这是明确的全圆周余量,不声称两端都是实际极值。可以另核 Q ( 1 ) = 5 / 18 、Q ( − 1 ) = 5 / 2 、Q ( i ) = 5 / 9 。把两个倒因子展开为几何级数再卷积,1 / p 的系数绝对值之和至多
1 ( 1 − 1 / 2 ) ( 1 − 1 / 3 ) = 3. 有限Toeplitz块通过,完整多项式仍可为负
取 q 0 = 1 , q 1 = q − 1 = 3 / 4 。二阶矩阵
( 1 3 / 4 3 / 4 1 ) ≻ 0 , 但完整多项式 Q ( e i t ) = 1 + ( 3 / 2 ) cos t 在 t = π 取 − 1 / 2 ,不可能有式(2)的因子。有限Toeplitz矩问题 理路 有限圆周矩与Toeplitz原子证书 Truncated trigonometric moment problem · Positive Toeplitz Vandermonde decomposition · 有限圆周矩问题 以有限Hermitian Toeplitz半正定判定正圆周测度存在,证明奇异数据的唯一原子表示、正定数据的多解及指定原子最大质量的准确达到。 只要求存在某个正测度具有这几个系数;它没有宣布未知系数等于零。已给完整有限多项式则确实把更高系数定成零,两种合同不能交换。
若想用Toeplitz正性识别一个给定连续 Q ,需要所有大小的相关矩阵非负:它们对应对所有多项式 h 检查 ∫ Q | h | 2 d m ≥ 0 。本定理的有限系数证书已经给出更直接的出口,不能把“某个有限块PSD”冒充该全体量词。
有限采样也不能直接认证非负
取整数 N ≥ 1 与实数 ε > 0 。在 N 个等距点 t j = 2 π j / N 上,函数 1 + ( 1 + ε ) cos N t 全部取 2 + ε > 0 ;在两个采样点之间的 t = π / N 却取 − ε 。所以采样全正只能在另有导数界、频率预算与采样余量证明时成为认证方法。本页直接用式(4),不需要从曲线颜色猜测。
整体乘单位常数不改变功率;乘 z k 也不改变圆周模,却插入原点零和时间延迟。后者会增加次数,故在固定实际阶数的规范问题中被排除。零多项式没有相位、根选择或 p ( 0 ) > 0 规范,必须先分支处理。
推论与应用
对实系数、非零且非负的 Q ,规范因子可以选实系数:把其系数共轭得到另一份同规范因子,再用唯一性即可。写 p ( z ) = a 0 ( 1 + θ 1 z + ⋯ + θ m z m ) ,取白噪声方差 a 0 2 ,MA过程的协方差卷积 理路 移动平均过程 Moving-average process · MA process 当前值由有限个当期与过去白噪声驱动项线性组合构成的时间序列模型。 恰好就是式(4)。因此这份完整有限谱可生成有限MA表示;严格正时规范根还给通常的绝对可和逆。Q ≡ 0 只给零输出,应另列为退化情形,不能把零噪声方差代入所引用MA模型的正方差合同。一般复系数例只作复振幅滤波,不能不加说明地当作实值时间序列。
本页也提供有限圆周矩存在性的关键工具:若一份矩表对每个模平方给非负值,式(2)就把这条性质提升为对全部非负三角多项式非负。再用有限维分离,才能证明真的有正测度;这一步在实线Hankel矩问题中不能原样照搬。
矩阵值正三角多项式也有专门的Fejér–Riesz理论,但标量根的“反射一半”不是矩阵证明。多变量时也不能直接要求同样次数的一份模平方。这里既未实现矩阵谱因子算法,也未把标量定理扩张到任意非负函数的无限级数因子。
参考资料