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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 ​

设 Λ 是实内积空间中的秩 k 格,VΛ=spanRΛ。它的对偶格定义为

Λ∗={y∈VΛ:⟨y,x⟩∈Z 对所有 x∈Λ}.

把 y 限制在 VΛ 是定义的实质部分。若 B∈Rn×k 是格基,则

B∗=B(BTB)−1,(B∗)TB=Ik,Λ∗=B∗Zk.

方阵情形才可简写为 B∗=B−T。公式可直接验证:若 y=B∗z、x=Bm 且 z,m∈Zk,则 ⟨y,x⟩=zTm∈Z;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.

若 ⟨Λ,Λ⟩⊆Z,则称格为整数格,此时 Λ⊆Λ∗;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 y∈Λ∗,字符 x↦e2πi⟨y,x⟩ 在平移 x↦x+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 2a∈Z,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

B−T=(10−1/21/2),

两列分别为 (1,−1/2) 与 (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)Z2≠Λ。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 Λ′⊆Λ 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)∗=c−1Λ∗。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 s 与 1/s 写反的错误。

格平滑参数用 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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