形式陈述
已知一份对象的均值和若干高阶矩,还知道它只能位于 。这项支撑信息不能只放在文字里:平方 在所有实数上都非负,单独检查它看不出质量是否跑出了区间。还要检查 ,或分别检查 与 。这些带端点因子的探针,正好填补有限Hankel检查缺少的条件。
固定 和非负整数 。输入是完整前缀 ,没有跳过中间阶数,也没有把未知尾补零。求是否存在有限非负Borel测度 ,支撑于 ,满足矩积分理路Lebesgue 积分Lebesgue integral从简单函数积分出发,按单调逼近定义非负、扩展值与可积函数的积分。
总质量为 ,不必等于一。若要求概率测度,则另外给定 。这是有限、标量、准确数据的截断Hausdorff矩问题。
定义 ,并线性延伸到次数至多 的实多项式。判据按已知最高阶的奇偶分开,所有矩阵都要求实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。。
偶数最高阶 :充要条件为
当 ,第二矩阵为空,不施加条件;只需 。
奇数最高阶 :充要条件为
它们分别是关于 和 的局部化矩阵。偶数情形的 则关于 局部化。“局部化”在这里指把支撑多项式乘进积分,不是只检查数据的某个局部片段。
必要性:每个二次型就是一个非负积分
若 ,则 。同样,三个局部化二次型分别为
对区间上的正测度,它们都非负;矩阵大小恰使所用次数不超过已知最高阶。因此所有条件必要,而且任一负方向都产生一份明确的非负多项式负矩值见证。
充分性:检查两个矩阵为什么已经够了?
假设相应两矩阵PSD。Markov–Lukács表示理路Markov–Lukács 区间非负多项式证书Markov–Lukács theorem · Lukács interval positivity · 区间非负多项式的平方表示用带准确次数界的端点加权平方表示刻画整个实区间上的非负多项式,转成有限Gram恒等式,并认证可达到的全局最小值。把任何次数至多 、在 非负的实多项式分成(4)所覆盖的平方项。所以
于首先处理质量。因为 ,有 。若 ,对每个 取 ,则 。由(5),,故全部矩为零;零测度是唯一代表。反过来全零表显然合法。
以下设 。在 考虑紧曲线
及其凸包 。由Carathéodory定理理路Carathéodory 定理Caratheodory theorem in convex geometry有限维凸包中的每个点都可由至多维数加一个原集合点的凸组合表示。,每个凸包点由至多 个曲线点的凸组合表示。故 是紧单纯形与 的连续像,确实紧,而不只是有界。
若归一化矩向量 不在 ,严格分离理路分离与支撑超平面定理Separating hyperplane theorem · Supporting hyperplane theorem用线性泛函分开凸集或在其边界处构造全局支撑超平面。给某个实线性泛函 和数 ,使 。多项式 在整个区间非负,但 ,与(5)矛盾。因此 ,其凸组合直接给出一份至多 个原子的正代表。 时只需取 ,不必使用零维分离论证。
这个证明解释了PSD何以充分:不仅因为它看起来像协方差矩阵,还因为区间上全部非负多项式都有准确的有限表示,并且支撑曲线紧。
奇异测试矩阵会锁定什么?
仍假设 、输入合法且 。若(2)或(3)中任一非空测试矩阵奇异,选它的非零核向量,得到非零多项式 。式(4)中相应非负多项式 满足 。任何正代表因此都集中于 在区间内的零点:在 的地方放正质量会使积分严格大于零。
若奇异的是 ,候选支撑至多 点;若是 ,至多是 的 个实根加两个端点,共 点;奇数情形至多是 的 个根加相应端点,共 点。重根不重复计数,区间外的根不计入。
这些有限节点一旦列全,最初的相应数量个矩给一个可逆的Vandermonde系统,唯一决定权重。存在性已由判据保证,所以得到的是全部正测度中的唯一代表,而不是只在某个预设原子数模型中唯一。候选零点的权重可以为零,必须删去零权点并核对全部已知矩。
反之,若所有非空测试矩阵都正定,则有无穷多个代表。任取 ,从矩表扣去 。它给各测试矩阵减去一个非负倍数的秩一矩阵;由有限维正定的开性,足够小的 使全部测试矩阵仍正定。充分性给残余正代表,再加 。每次选 避开已有有限原子代表的支撑并取有限残余代表,就能递归构造不同的代表。
也符合后一结论:各个 已经不同。零质量则先按上面的唯一零测度处理,不能混入正定分支。
直觉
问的是:“每个平方的平均都非负吗?”局部化矩阵再问:“这个平方乘上区间内才保证非负的端点因子后,平均还非负吗?”两种问题一起,才会把支撑区间真正放进数据合同。
边界上的奇异性也有具体含义:某个非负探针的平均恰为零,迫使全部质量落在它的零点上。此时可以唯一,尽管通常的平方矩阵 本身还没有退化。
例子与边界
实线合法,不等于区间合法
取 和 。矩阵
正定;它确实来自实线上的 。但局部化条件给 ,所以没有支撑于 的代表。这不是否认原来的实线测度,而是拒绝它遵守新增的支撑要求。
有限阶基本差分都非负,仍然可能无解
另取 。所有已知范围内的 ,,都是非负数:除原矩外,还需检查 、 与 。但
因此没有正代表。无限完整Hausdorff序列可以用全部阶数的差分条件刻画,不意味着把那些不等式截到手上已有的阶数,便得到本页有限问题的充分条件。
从均值和二阶矩求第三矩的全部范围
固定 ,令 。奇数判据成为
两个正的首元使Schur配方理路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。直接适用,分别给
下端的探针为 ,零点是 ;最初两矩给唯一代表 。上端用 ,给 。两测度的凸组合保持前三矩并覆盖整个区间,因此两界都锐利且取得。
第四矩上端:Hankel正定,代表仍唯一
再固定 ,令 。偶数判据给
前一Hankel块 正定,Schur余量为 ;局部化余量为 。准确范围是
下端使 的平方矩值为零,唯一代表是 。它也是平移后的二点Gauss规则理路Gaussian 求积Gaussian quadrature · Gauss quadrature以正交多项式零点选择节点,使 n 个正权节点对最高 2n−1 次多项式精确积分。,但这里用来达到未知第四矩的最小值,并没有声称它复制均匀分布的第四矩。
上端则使 的矩值为零,唯一代表为
此时 的最后Schur余量是 ,所以 ,并不平坦。唯一性来自奇异的 ,将支撑限制到 。这正是相对实Hankel平坦证书理路平坦 Hankel 矩的正测度证书Flat Hankel moment certificate · Univariate flat moment certificate · 一元平坦矩证书以前一阶矩阵正定和最后Schur余量为零,构造唯一的有限正原子测度;给出循环自伴证明、全部正测度中的唯一性及半正定和噪声边界。的新信息。均匀概率的 位于两端之间,其两测试矩阵都正定;它不是被前四矩唯一识别出的分布。
区间坍缩与数据种类
若 ,唯一可能的正代表为 ,条件是 且 对全部给定阶数成立。即使 、只给零阶矩,它也唯一,不能套非退化区间的“正定便有无穷多代表”。反向端点 是本页接口中的无效输入。
本页的 是确切约束,不是经验矩的自动置信界。浮点矩阵出现很小特征值时,应区分准确奇异与数值近似;若只知误差盒,需要另交能覆盖整盒的证书。复圆周矩也有不同的Toeplitz判据理路有限圆周矩与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。,本页的实幂次局部化公式不可直接移植。
推论与应用
下一矩的可行值总形成非空紧区间。 先假设已有前缀合法。把 加入相应奇偶矩阵,PSD的逆像是闭凸子集;已存在的代表给它至少一个点,而且任何代表都满足 。因此可行值是一个闭有界区间,允许退化成单点,两个端点都存在代表。无需求助于实线上可能发生的质量逃逸。
首块正定时,可用Schur补把新增标量隔离,得到如(7)、(8)的上下界。首块奇异时不能硬取逆;应检查完整PSD及核方向兼容,再按零探针恢复支撑。一个已经唯一的前缀当然强制所有后续矩。
每个拒绝都有多项式见证。 若精确PSD消元发现向量 使某个测试二次型为负,把 解释为 的系数,就由(4)给出整个区间上非负、但 的多项式。检查者只需验证系数、区间因子和一个负数,不必信任某个数值特征值求解器。
构造矩阵需要 次取数与线性组合,两次稠密PSD检验用 算术与 存储。有理精确输入还需计入位成本。存在性证明给有限原子代表,却没有自动提供任意高次实根的通用求解程序;公开参考实现只负责精确PSD与供给证书的验收,并完整求解本页的低次端点任务。
参考资料