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对偶格

Dual lattice · Reciprocal lattice · 倒易格

格张成空间中与每个原格点内积为整数的全部向量所成之格。

条目类型
定义

形式陈述

Λ 是实内积空间中的秩 k 格,VΛ=spanRΛ。它的对偶格定义为

Λ={yVΛ:y,xZ 对所有 xΛ}.

y 限制在 VΛ 是定义的实质部分。若 BRn×k 是格基,则

B=B(BTB)1,(B)TB=Ik,Λ=BZk.

方阵情形才可简写为 B=BT。公式可直接验证:若 y=Bzx=Bmz,mZk,则 y,x=zTmZ;反过来,与每个 bi 的配对都是整数便给出唯一的 z。因此 B 没有漏掉对偶点。由 Gram 余体积公式可得

det(Λ)=1det(Λ),(Λ)=Λ.

Λ,ΛZ,则称格为整数格,此时 ΛΛ;若进一步相等才称自对偶或幺模格。只有余体积等于 1 并不足以推出这些配对条件。

直觉

对偶格收集所有在原格上具有整数周期的线性频率。对 yΛ,字符 xe2πiy,x 在平移 xx+λ 下不变;因此原格越稀,允许的频率刻度越密,余体积恰好互为倒数。

基向量 bi 的作用类似坐标读出器:bi,bj=δij。给定 x=Bz,与 bi 配对便读出整数坐标 zi。这说明对偶不是把各基向量简单取倒数;非正交基需要先逆转整个 Gram 矩阵,夹角信息不能省略。

Poisson 求和把原格上的函数求和变成对偶格上的 Fourier 变换求和。平滑参数和格上离散高斯之所以反复出现 Λ,正因为短对偶向量对应衰减最慢、最难被高斯抹平的非平凡频率。

例子与边界

取低秩格

Λ=Z(2,0)R2,VΛ=R(1,0).

条件 (a,0),(2m,0)Z 对所有 m 成立,当且仅当 2aZ,故

Λ=Z(1/2,0).

原格余体积为 2,对偶余体积为 1/2。若错误地允许任意 (a,b)R2,第二坐标 b 完全不受约束,所得集合含连续直线而不是格;这正是 span 限制不可省的原因。

非正交例子取 B=((1,0),(1,2))。计算

BT=(101/21/2),

两列分别为 (1,1/2)(0,1/2),都与原基列整数配对。逐列把坐标做“分量倒数”显然得不到这一答案。

最后,Λ=diag(2,1/2)Z2 的余体积是 1,但 Λ=diag(1/2,2)Z2Λ。因此“det = 1”只给体积必要条件;没有整数 Gram 配对,不能称自对偶。

推论与应用

对偶把包含方向反转:若 ΛΛ 是同秩子格,则 Λ(Λ)。原格增加点会给整数配对施加更多约束,所以对偶点变少。指数也保持:[Λ:Λ]=[(Λ):Λ]

缩放同样反向:(cΛ)=c1Λ。原格长度乘 |c| 时,对偶频率长度除以 |c|,两边余体积的乘积仍为一。这个量纲检查可迅速发现 smoothing 参数或 Fourier 公式中把 s1/s 写反的错误。

格平滑参数Λ{0} 上的 Gaussian 质量定义;格上离散高斯的归一化、模格近均匀性与采样分析则借助 Poisson 求和。Ring-LWE 中还会用数域的迹配对及 codifferent 形成代数对偶,此时“系数向量点积”只有在选定嵌入和基后才是正确表示。

参考资料
关系图谱5 个相邻概念 · 1 类关系

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