形式陈述
设 都正规,即 、,。各自的特征值理路特征值与特征向量Eigenvalue and eigenvector满足 Tv=λv 且 v 非零的标量 λ 与向量 v。按代数重数列成 与 ,不先规定次序。则存在一个置换 ,使
右边是Frobenius范数理路矩阵范数与诱导算子范数Matrix norm · Induced matrix norm · Operator norm of a matrix用诱导范数和常用可计算矩阵范数度量线性映射的放大能力,并区分算子范数、Frobenius 范数与谱半径。平方,即全部矩阵元素误差的模平方和。左边也把全部谱误差一起平方求和,并且每个新旧谱值恰好使用一次,包括重复值。它不是允许同一个旧谱点被任意重复使用的最近邻距离。
若 都 Hermitian,可将两组实特征值都按升序排列,直接取 :
这项结论不要求谱隙、简单特征值或唯一特征向量。复正规情形则一般需要找匹配;按实部、虚部或模长独立排序,都不是定理保证的配对规则。定理只承诺存在一个合适的一一对应,不保证最优对应唯一。
直觉
两份正规矩阵各有一组正交谱坐标。旧方向与新方向的重叠平方形成一张表,每行和每列都为一。矩阵的总平方差恰好等于这张表对所有可能谱距离的加权平均。
双随机权重可以拆成若干完整的一一对应。平均值既然等于已知的矩阵误差,其中至少一份完整对应的费用不能比平均值更大。这一步把“每个点附近都有点”升级为“所有点能同时无冲突地配好”。
Bauer–Fike定理理路Bauer–Fike 谱扰动定理Bauer–Fike theorem · Bauer-Fike theorem在可对角化假设下,以特征向量基的条件数控制全部新谱点,分清谱包围、配对和缺陷矩阵的边界。对可对角化矩阵给单向谱包围,并允许另一个矩阵不正规;本页则用两边的正规性控制完整匹配的总平方误差。输入条件、范数和配对量词都不同。
例子与边界
两个谱基不一致时,平方和界可以严格
令
两组升序谱是 、,所以按序误差平方和为 。而
的正交特征基是 与 ,相对于 的坐标基,重叠平方表为
谱距离成本矩阵是 。两份置换的费用分别为 与 ,加权平均恰为 ;因此挑出费用 的配对。谱值接近并不要求两矩阵拥有相同谱方向,方向变化消耗了右边的一部分预算。
若改成 ,与 共用同序谱基,则两边都等于 ,说明常数一不可统一缩小。
复谱按实部排序会破坏一个本来很近的配对
取
两者都是正规对角矩阵。沿矩阵原对角位置配对,每项只水平移动 ,故总平方差为 。若把两组谱各自按实部升序排,第一对变成 与 ,第二对也上下相距 ;费用变为 。错误来自配对规则,不是正规性或定理常数。
本例只有两个置换,直接比较 和 就找到了最优匹配。一般可令 ,使用匈牙利算法理路匈牙利算法Hungarian algorithm通过对偶标号和增广结构求解赋权二分图完美匹配的算法。求最小费用指派;不能逐行贪心选最近点,因为两行可能抢同一列。
只保证一边正规仍然不够
取
实对称,谱为 ; 的谱为 ,且 。任何配对的谱平方和都是 ,矩阵平方差却只有 。所以仅检查参考矩阵正规,不能使用本页常数一的结论。即使近似特征值都能落进某些范数圆盘,也不能据此补出这个平方和界。
推论与应用
从谱展开到双随机分解的完整证明
由正规矩阵谱定理理路有限维谱定理Finite-dimensional spectral theorem有限维复正规算子存在正交规范特征基;实数情形对应自伴算子。,写
其中 都酉,、。Frobenius范数对左右酉变换不变,所以
的每行、每列都是单位向量,故 非负且行列和均为一。由Birkhoff–von Neumann分解理路双随机矩阵的 Birkhoff–von Neumann 分解Birkhoff–von Neumann theorem · Doubly stochastic matrix decomposition在正支撑图中反复寻找完美匹配并扣除最小边权,把任意双随机矩阵精确拆成置换矩阵的凸组合。,,其中 、。代回得
至少有一个正权重项不超过这个平均值,证明正规情形。双随机分解的实际构造是反复从正支撑找完美匹配并扣去最小权重;其存在性和终止证明由所链接的条目提供,不需要在谱问题里另造一种匹配算法。
还需证明实谱的升序配对最便宜。若 、,交叉配对与同序配对之差为
逐一消去任意置换中的逆序对,成本不增加,最终得到同序配对。重值只会使某些交换费用为零,不影响结论。这完成了Hermitian版本,不能仅凭“实数能排序”省去最优性这一步。
一个总预算能排除什么
设已认证 ,并采用定理保证的匹配。对任何 ,若有 项谱误差至少为 ,就有 ,因而 。例如 ,不可能有三项误差都至少为 ,因为 。这个排除使用总误差预算,逐项套相同的上界得不到同样信息。
对于Hermitian输入,Weyl界理路Hermitian 特征值的有序扰动界Weyl eigenvalue perturbation bound · Weyl monotonicity theorem从变分原理证明 Hermitian 特征值按序配对的绝对误差界,并在同一三阶扰动中核验尺度与谱隙。已给每项至多 。将它们平方相加只得到 ,而本页给 ,可能明显更小。两者可同时报告:前者针对最大单项,后者针对总能量,不能擅自把正规复谱结论的右边换成二范数平方。
计算误差也必须进入同一范数预算
若 Hermitian,算法交付经过核验的酉矩阵 、实对角矩阵 ,令 。对准确重构残差的上界 ,本页就给按序谱误差的Euclidean范数不超过 。
如果只知道浮点算出的残差 与真残差相差至多 ,可用 。若 仅近似酉,则应先认证正交化及其对重构的改动,或直接认证 的真实谱;未经证明,打印的对角数不一定是重构矩阵的特征值。输入本身还有误差时,应把已认证的输入Frobenius误差加到这个预算中。
参考资料