三个仪器读数各自不超过一,每两份也都符合圆盘的距离收缩,是否就能由同一个有界全纯函数产生?不能。二点条件只检查两两相容,第三份读数还会与前两份共同留下的函数自由度冲突。有限Pick矩阵把这份联合约束记录下来;它的半正定性既是障碍,也是能够构造函数的保证。
形式陈述
令 两两不同,,给定任意复数 。Schur类记作
这里的全纯性理路全纯函数Holomorphic function · Complex analytic function在复平面开集的每一点都复可微的函数。在整个开圆盘要求成立;模界也不是有限网格条件。类中包括单位常数,其他成员的模在内部严格小于一。允许单位常数是为了让下面的奇异边界不被遗漏。
存在 满足 ,当且仅当Hermitian矩阵
这就是有限Nevanlinna–Pick定理, 称为Pick矩阵。所有分母非零,复共轭的位置须在行列互换时保持Hermitian对称;半正定理路正定与半正定矩阵Positive definite matrix · Positive semidefinite matrix · PSD matrix由二次能量严格为正或非负定义的实对称与复 Hermitian 矩阵。指 对所有复向量成立,而不是各个矩阵元非负。
结果还区分两种可行情形:
- :有无穷多个解,降阶过程留下一个任意Schur函数作为自由尾参数
- 且奇异,秩为 :只有一个解,它是次数 的有限Blaschke乘积理路有限Blaschke乘积与圆盘真映射Finite Blaschke product · Proper holomorphic disk map · 有限布拉施克乘积从有限零点表构造圆盘有理自映射,证明真映射分类、按重数的原像数及边界相位速度,并区分相乘、复合与仅几乎处处的边界模一。; 对应单位常数
若想严格要求 ,应另排除单位常数分支。给定输出只要有一个模严格小于一,任何可行解便不会是单位常数。边界输出可在式(2)中处理,边界输入 则不在本定理内。
直觉
消去一份数据,还要保留全部函数的对应
先取第一对 ,假设 。定义
因为 ,。 在 只有一个简单零点,故商在该点可去。Schwarz–Pick收缩理路Schwarz–Pick收缩与取等刚性Schwarz–Pick theorem · Schwarz lemma · 施瓦茨–皮克定理证明圆盘全纯自映射的二点与导数收缩,刻画何时取等,并把两点插值化为可构造或可排除的不等式证书。给 ,于是可去后的 。反过来,任取 ,公式
给一个Schur函数并满足 。分母在圆内不会为零,因为 。两个操作互逆,所以既没有漏解,也没有增加伪解。
余下节点不需要改变,只把目标换成
互异节点使 。若某个原输出已在闭圆盘外,直接无解;否则 保证式(5)另一分母也非零。这样一个 数据问题变成 数据问题,函数级可行性与原问题完全等价。
为什么矩阵也恰好降同一阶
记 ,所以 ,并令
直接展开分子可得
这是可逆合同加一个严格正标量,因此保持半正定性和秩。第一对角元 。消去这一个正主元,Schur补理路Schur 补与静态凝聚Schur complement · Static condensation把内部变量的精确响应折入界面矩阵与右端,推导 Schur 补、恢复公式及最小能量性质,并逐项凝聚五节点链。在余下指标上为
最后一行正是降阶数据的Pick矩阵 ,左右各乘可逆对角矩阵。因此
在这一步成立复数版本的分块配平方与旧Schur补页相同,只把转置换成共轭转置。式(7)把算法和矩阵条件联系起来,不能省成“反复应用二点不等式”:每轮二点检查使用的是已经变换过的全部目标。
例子与边界
每一对都合法,三份放在一起却失败
规定
两份零输出彼此没有障碍。第三输出与零节点比较要求 ;与 比较只要求 。所以全部原始二点条件合起来仅给 。
但先除去 ,再除去 ,得到任何可行函数都必须是
在 处,,故准确条件是 ,比逐对检查更严格。反向构造 证明这个圆盘中的全部输出确实可行。
取实数 。它小于 ,却大于 。对应矩阵与一份负方向是
所有二阶主子式非负仍救不了这个三阶负方向。负二次型是可独立复核的不可能证书;任意穿过三点的插值多项式都必须在圆盘某处突破模一。
二点检查与共同函数的差距 奇异边界给唯一二次解
仍用式(9),取 。式(10)迫使 。有界全纯函数在内点达到模一只能为常数,所以 ,唯一解为 。Pick矩阵秩为二,向量 变成零方向,与定理的次数结论吻合。
取 则严格可行。两个不同解例如
最后一个分式是圆盘自同构,在 等于 ;两函数都满足三数据。在 处,分别为 与 ,所以确实不同。一个简单构造不是全部解,正定也不是唯一性保证。
单位输出需要停止,不能继续除零
若某一数据为 、,任何可行函数只能恒等于 。因此所有其他输出必须同样等于 。矩阵也给相同判决:,半正定矩阵的这一整行必须为零;由 得 。
为何零对角强迫零行?若 ,在只含第1和第 坐标的向量上调整第1坐标的复相位与大小,二次型的交叉项可变成任意大的负数。只跳过一个零主元而不核整行,会错误接受不相容数据。
输入点重合时,先合并相同输入和相同输出;同一输入对应不同输出直接矛盾。不能把重复行机械塞进互异节点的式(5)。若要规定同一点的导数,应转到Taylor系数插值理路Schur算法与有限Taylor系数插值Schur coefficient interpolation · Carathéodory–Fejér interpolation · Schur algorithm · 有限泰勒系数插值从单点有限Taylor系数判断全圆盘Schur延拓,以截断Toeplitz矩阵与逐阶参数剥离给充要证书,完整处理单位参数、唯一次数及自由尾函数。,普通重复行不会自动编码导数。
推论与应用
归纳完成充要性,而非只给必要条件
时, 等价于 ,常函数就是构造。对一般 ,若有模大于一的输出,函数不存在且该对角元负;若有单位输出,上一节的常函数分支同时解决函数与矩阵条件。剩下的情形可用式(3)–(8)降一阶。对更小问题应用归纳,再用式(4)还原。这样同时得到必要性、充分性和有限构造,不需要预先假定一个无限正核或边界积分表示。
若每一步主元都正,最终没有剩余数据;此时尾函数可以是任意 ,再逆序应用式(4)。反向降阶恢复原 ,所以不同尾函数产生不同解。选无穷多个不同常数尾已经给无穷多个解。
若 半正定而秩为 ,每个严格内部步骤由式(8)将秩降一。恰在 个这样的步骤后,剩余矩阵秩零,输出全为同一个单位常数,解唯一。逆序恢复时,每一步先乘一个一次Blaschke因子,再作输出圆盘自同构,次数准确增加一,故最后次数为 。这也说明唯一性包括了全体Schur函数,而不只是某个预选有理函数族。
允许更大模界时,可以求准确阈值
若要 ,其中 ,对 使用定理,等价于
在式(9)的 例中,两次除零点的论证给 。取 达到这个界,故最小范数准确为 。这里确实交了下界和达到函数,不能把某次数值尝试没有成功当成最优性证明。
计算代价与准确输入的边界
直接生成 用 次复数算术,稠密Hermitian分解通常用 ;非对角的逐点降阶每轮更新余下目标,总共 次算术。保存全部逐轮目标需要 空间,只保存逆构造所需节点与主输出可用 ,另计最终多项式展开和日志。这里计的是算术操作,有理数的分子分母位长可能增长,不能据此声称固定机器字的同阶时间。
准确正定、准确奇异、准确不定是不同出口。把极小负特征值删掉,会改变原数据的可行性;把极小正主元当零,又会错误宣布唯一。本页的公开实现使用准确有理实部与虚部。带测量误差的数据需要另给一个全矩阵或全数据误差合同,不能直接借用准确插值的唯一性。
参考资料