Следы неравенства - Trace inequality - Wikipedia
В математика, есть много видов неравенство с участием матрицы и линейные операторы на Гильбертовы пространства. В статье рассматриваются некоторые важные операторные неравенства, связанные с следы матриц.[1][2][3][4]
Основные определения
Позволять ЧАСп обозначим пространство Эрмитский п×п матрицы, ЧАСп+ обозначим множество, состоящее из положительный полуопределенный п×п Эрмитовы матрицы и ЧАСп++ обозначим множество положительно определенный Эрмитовы матрицы. Для операторов в бесконечномерном гильбертовом пространстве мы требуем, чтобы они были класс трассировки и самосопряженный, и в этом случае применяются аналогичные определения, но для простоты мы обсуждаем только матрицы.
Для любой действительной функции ж на интервале я ⊂ ℝ, можно определить матричная функция f (А) для любого оператора А ∈ ЧАСп с собственные значения λ в я путем определения его на собственных значениях и соответствующих проекторы п в качестве
- Учитывая спектральное разложение
Оператор монотонный
Функция ж: я → ℝ определенный на интервале я ⊂ ℝ называется оператор монотонный если ∀п, и все А, Б ∈ ЧАСп с собственными значениями в я, имеет место
где неравенство А ≥ В означает, что оператор А − B ≥ 0 положительно полуопределенный. Можно проверить, что f (A) = A2 на самом деле нет оператор монотонный!
Оператор выпуклый
Функция как говорят оператор выпуклый если для всех и все А, Б ∈ ЧАСп с собственными значениями в я, и , имеет место
Обратите внимание, что оператор имеет собственные значения в , поскольку и иметь собственные значения в я.
Функция является оператор вогнутый если операторно выпуклый, т. е. приведенное выше неравенство для обратный.
Выпуклость суставов
Функция , определенные на интервалах как говорят совместно выпуклый если для всех и все с собственными значениями в и все с собственными значениями в , и любые следующее имеет место
Функция грамм является совместно вогнутый если -грамм является совместно выпуклым, т. е. приведенное выше неравенство для грамм обратный.
Функция трассировки
Учитывая функцию ж: ℝ → ℝ ассоциированный функция трассировки на ЧАСп дан кем-то
куда А имеет собственные значения λ а Tr означает a след оператора.
Выпуклость и монотонность следовой функции.
Позволять ж: ℝ → ℝ непрерывно, и пусть п быть любым целым числом. Тогда, если монотонно возрастает, поэтому на ЧАСп.
Аналогично, если является выпуклый, так это на ЧАСп, и он строго выпуклый, если ж строго выпуклый.
См. Доказательства и обсуждение в,[1] Например.
Теорема Лёвнера – Хайнца
За , функция является операторно монотонным и операторно вогнутым.
За , функция является операторно монотонным и операторно вогнутым.
За , функция операторно выпуклый. Более того,
- оператор вогнутый и оператор монотонный, а
- операторно выпуклый.
Первоначальное доказательство этой теоремы принадлежит К. Лёвнер который дал необходимое и достаточное условие для ж быть операторно монотонным.[5] Элементарное доказательство теоремы обсуждается в [1] и более общая его версия в формате.[6]
Неравенство Клейна
Для всех эрмитов п×п матрицы А и B и все дифференцируемые выпуклые функцииж: ℝ → ℝ с производная f ' , или для всех положительно определенных эрмитовых п×п матрицы А и B, и все дифференцируемые выпуклые функции ж: (0, ∞) → ℝ выполняется неравенство
В любом случае, если ж строго выпукло, равенство выполняется тогда и только тогда, когда А = B.Популярным выбором в приложениях является ж(т) = т бревно т, Смотри ниже.
Доказательство
Позволять так что для ,
- ,
варьируется от к .
Определять
- .
В силу выпуклости и монотонности следовых функций выпуклый, и поэтому для всех ,
- ,
который,
- ,
и, по сути, правая часть монотонно убывает по .
Принимая предел урожайность,
- ,
что с перестановкой и заменой является неравенством Клейна:
Обратите внимание, что если строго выпуклый и , тогда строго выпуклый. Окончательное утверждение следует из этого и того факта, что монотонно убывает по .
Неравенство Голдена – Томпсона
В 1965 г. С. Голден [7] и Си Джей Томпсон [8] независимо обнаружил, что
Для любых матриц ,
Это неравенство можно обобщить для трех операторов:[9] для неотрицательных операторов ,
Неравенство Пайерлса – Боголюбова.
Позволять быть таким, что Tr eр = 1. Определение грамм = Tr Feр, у нас есть
Доказательство этого неравенства следует из сказанного выше в сочетании с Неравенство Клейна. Брать ж(Икс) = ехр (Икс), А=р + F, и B = р + gI.[10]
Вариационный принцип Гиббса
Позволять - самосопряженный оператор такой, что является класс трассировки. Тогда для любого с
с равенством тогда и только тогда, когда
Теорема Либа о вогнутости
Следующая теорема была доказана Э. Х. Либ в.[9] Он доказывает и обобщает гипотезу Э. П. Вигнера, М. М. Янасе и Ф. Дж. Дайсона.[11] Шесть лет спустя Т. Андо дал другие доказательства. [12] и Б. Саймон,[3] и с тех пор было дано еще несколько.
Для всех матрицы , и все и такой, что и , с настоящая карта на данный
- совместно вогнута в
- выпуклый в .
Здесь стоит за сопряженный оператор из
Теорема Либа
Для фиксированной эрмитовой матрицы , функция
вогнутый на .
Теорема и доказательство принадлежат Э. Х. Либу,[9] Теорема 6, где он получает эту теорему как следствие теоремы Либа о вогнутости. Наиболее прямое доказательство принадлежит Х. Эпштейну;[13] см. M.B. Рускайские бумаги,[14][15] для обзора этого аргумента.
Теорема Андо о выпуклости
Доказательство Т. Андо [12] из Теорема Либа о вогнутости привели к следующему значительному дополнению к нему:
Для всех матрицы , и все и с , действительная карта на данный
выпуклый.
Совместная выпуклость относительной энтропии
Для двух операторов определите следующую карту
За матрицы плотности и , карта это Умегаки квантовая относительная энтропия.
Обратите внимание, что неотрицательность следует из неравенства Клейна с .
Заявление
Карта совместно выпуклый.
Доказательство
Для всех , совместно вогнутая, Теорема Либа о вогнутости, и поэтому
выпуклый. Но
и в пределе выпуклость сохраняется.
Доказательство принадлежит Г. Линдбладу.[16]
Оператор Дженсена и неравенства следов
Операторская версия Неравенство Дженсена принадлежит К. Дэвису.[17]
Непрерывная действительная функция на интервале удовлетворяет Неравенство оператора Дженсена если выполняется следующее
для операторов с и для самосопряженные операторы с спектр на .
Видеть,[17][18] для доказательства следующих двух теорем.
Следовое неравенство Дженсена
Позволять ж - непрерывная функция, определенная на интервале я и разреши м и п быть натуральными числами. Если ж выпукло, то справедливо неравенство
для всех (Икс1, ... , Иксп) самосопряженный м × м матрицы со спектрами, содержащимися в я и все (А1, ... , Ап) из м × м матрицы с
Наоборот, если указанное выше неравенство выполняется для некоторого п и м, куда п > 1, тогда ж выпуклый.
Неравенство оператора Дженсена
Для непрерывной функции определенный на интервале следующие условия эквивалентны:
- операторно выпуклый.
- Для каждого натурального числа у нас есть неравенство
для всех ограниченные самосопряженные операторы на произвольной Гильбертово пространство со спектрами, содержащимися в и все на с
- для каждой изометрии на бесконечномерном гильбертовом пространстве и
каждый самосопряженный оператор со спектром в .
- для каждой проекции на бесконечномерном гильбертовом пространстве , каждый самосопряженный оператор со спектром в и каждый в .
Неравенство Араки – Либа – Тирринга.
Э. Х. Либ и В. Э. Тирринг доказали следующее неравенство в [19] в 1976: Для любого , и
В 1990 г. [20] Х. Араки обобщил полученное выше неравенство на следующее: для любого , и
- за
и
- за
Неравенство Либа – Тирринга также имеет следующее обобщение:[21] для любого , и
Теорема Эффроса и ее расширение
Э. Эффрос в [22] доказал следующую теорему.
Если - операторная выпуклая функция, а и являются коммутирующими ограниченными линейными операторами, т. е. коммутатор , то перспектива
совместно выпукло, т. е. если и с (i = 1,2), ,
Эбадиан и др. позже неравенство распространилось на случай, когда и не ездить на работу. [23]
Следовое неравенство фон Неймана, названное в честь его создателя Джон фон Нейман, утверждает, что для любого п × п комплексные матрицы А, B с сингулярные значения и соответственно,[24]
Простым следствием этого является следующий результат[25]: За эрмитский п × п положительно полуопределенные комплексные матрицы А, B где сейчас собственные значения сортируются по убыванию ( и , соответственно),
Смотрите также
Рекомендации
- ^ а б c Э. Карлен, Следовые неравенства и квантовая энтропия: вводный курс, Contemp. Математика. 529 (2010) 73–140 Дои:10.1090 / conm / 529/10428
- ^ Р. Бхатия, Матричный анализ, Springer, (1997).
- ^ а б Б. Саймон, Идеалы трассировки и их приложения, Cambridge Univ. Press, (1979); Второе издание. Амер. Математика. Soc., Провиденс, Род-Айленд (2005).
- ^ М. Охя, Д. Петц, Квантовая энтропия и ее использование, Springer, (1993).
- ^ Лёвнер, Карл (1934). «Убер монотонный Matrixfunktionen». Mathematische Zeitschrift (на немецком). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 38 (1): 177–216. Дои:10.1007 / bf01170633. ISSN 0025-5874. S2CID 121439134.
- ^ W.F. Донохью младший, Монотонные матричные функции и аналитическое продолжение, Спрингер, (1974).
- ^ Голден, Сидней (1965-02-22). «Нижние оценки функции Гельмгольца». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 137 (4B): B1127 – B1128. Дои:10.1103 / Physrev.137.b1127. ISSN 0031-899X.
- ^ Томпсон, Колин Дж. (1965). «Неравенство с приложениями в статистической механике». Журнал математической физики. Издательство AIP. 6 (11): 1812–1813. Дои:10.1063/1.1704727. ISSN 0022-2488.
- ^ а б c Либ, Эллиотт H (1973). «Выпуклые функции следа и гипотеза Вигнера-Янасе-Дайсона». Успехи в математике. Elsevier BV. 11 (3): 267–288. Дои:10.1016 / 0001-8708 (73) 90011-х. ISSN 0001-8708.
- ^ Д. Рюэль, Статистическая механика: точные результаты, World Scient. (1969).
- ^ Wigner, Eugene P .; Янасэ, Муцуо М. (1964). «О положительной полуопределенной природе одного матричного выражения». Канадский математический журнал. Канадское математическое общество. 16: 397–406. Дои:10.4153 / cjm-1964-041-x. ISSN 0008-414X.
- ^ а б Андо, Т. (1979). «Вогнутость некоторых отображений на положительно определенных матрицах и приложения к произведениям Адамара». Линейная алгебра и ее приложения. Elsevier BV. 26: 203–241. Дои:10.1016/0024-3795(79)90179-4. ISSN 0024-3795.
- ^ Эпштейн, Х. (1973). «Замечания к двум теоремам Э. Либа». Коммуникации по математической физике. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 31 (4): 317–325. Дои:10.1007 / bf01646492. ISSN 0010-3616. S2CID 120096681.
- ^ Рускай, Мэри Бет (2002). «Неравенства для квантовой энтропии: обзор с условиями равенства». Журнал математической физики. Издательство AIP. 43 (9): 4358–4375. arXiv:Quant-ph / 0205064. Дои:10.1063/1.1497701. ISSN 0022-2488. S2CID 3051292.
- ^ Рускай, Мэри Бет (2007). «Еще одно краткое и элементарное доказательство сильной субаддитивности квантовой энтропии». Доклады по математической физике. Elsevier BV. 60 (1): 1–12. arXiv:Quant-ph / 0604206. Дои:10.1016 / с0034-4877 (07) 00019-5. ISSN 0034-4877. S2CID 1432137.
- ^ Линдблад, Горан (1974). «Ожидания и энтропийные неравенства для конечных квантовых систем». Коммуникации по математической физике. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 39 (2): 111–119. Дои:10.1007 / bf01608390. ISSN 0010-3616. S2CID 120760667.
- ^ а б К. Дэвис, Неравенство Шварца для выпуклых операторных функций, Proc. Амер. Математика. Soc. 8, 42–44, (1957).
- ^ Хансен, Франк; Педерсен, Герт К. (2009-06-09). «Неравенство оператора Дженсена». Бюллетень Лондонского математического общества. 35 (4): 553–564. arXiv:математика / 0204049. Дои:10.1112 / с0024609303002200. ISSN 0024-6093. S2CID 16581168.
- ^ EH Lieb, WE Thirring, Неравенства для моментов собственных значений гамильтониана Шредингера и их связь с неравенствами Соболева, Исследования по математической физике, под редакцией Э. Либа, Б. Саймона и А. Уайтмана, Princeton University Press, 269– 303 (1976).
- ^ Араки, Хузихиро (1990). «О неравенстве Либа и Тирринга». Письма по математической физике. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 19 (2): 167–170. Дои:10.1007 / bf01045887. ISSN 0377-9017. S2CID 119649822.
- ^ З. Аллен-Чжу, Й. Ли, Л. Ореккья, Использование оптимизации для получения независимого от ширины, параллельного, более простого и быстрого положительного решателя SDP, в Симпозиуме ACM-SIAM по дискретным алгоритмам, 1824–1831 (2016).
- ^ Эффрос, Э. Г. (21 января 2009 г.). «Матричный подход к некоторым известным квантовым неравенствам». Труды Национальной академии наук США. Труды Национальной академии наук. 106 (4): 1006–1008. arXiv:0802.1234. Дои:10.1073 / pnas.0807965106. ISSN 0027-8424. ЧВК 2633548. PMID 19164582.
- ^ Ebadian, A .; Никуфар, I .; Эшаги Горджи, М. (18.04.2011). «Перспективы матричных выпуклых функций». Труды Национальной академии наук. Труды Национальной академии наук США. 108 (18): 7313–7314. Дои:10.1073 / pnas.1102518108. ISSN 0027-8424.
- ^ Мирский, Л. (декабрь 1975). «След неравенства Джона фон Неймана». Monatshefte für Mathematik. 79 (4): 303–306. Дои:10.1007 / BF01647331. S2CID 122252038.
- ^ Маршалл, Альберт В .; Олкин, Инграм; Арнольд, Барри (2011). Неравенства: теория мажоризации и ее приложения (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. п.340 -341. ISBN 978-0-387-68276-1.
- Scholarpedia основной источник.