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ノルムの n 乗根が落ち着く先 - ゲルファントのスペクトル半径公式

ノルムを見てもスペクトルの広がりは分からない。

である。ところが固有値は だけで、スペクトル半径は になる[1]。

ゲルファントの公式が、その差を埋める。 乗のノルムの 乗根をとると、正確な値へ収束する。

スペクトル半径

を有界作用素とし、スペクトルを と書く。スペクトル半径は次で定める[3]。

原点を中心にして、スペクトル全体を包む最小の閉円板の半径である。

なら は可逆なので、 がいつでも成り立つ[2]。

ゲルファントの公式

次の公式が、不等号を等号に直す[1,2]。

極限が下限にも一致するところが強い。どの で計算しても、 は 以上になる。

の場合が にあたる。 を上げるほど評価が締まっていく。

例:べき零な行列

冒頭の で確かめよう。 なので、 では である。

下限は で、極限も 。スペクトル半径 と一致した。

だけを見ると という値が出る。 回のノルムでは、まだ何も分かっていなかったことになる。

例:収束が遅い場合

次の行列を見る。

固有値は が重解なので である。 乗を計算すると、右上だけが伸びる。

ノルムはおよそ になる。 乗根をとると で、これは へ向かう。

ただし収束は遅い。 で約 、 で約 、 でも約 である。

証明の骨組み

出発点はレゾルベントのノイマン級数である。 で次のように書ける[2]。

についての冪級数と見ると、収束半径がアダマールの公式で書ける。係数のノルムの 乗根の上極限が効いてくる。

いっぽうレゾルベントは の外側で解析的である。だから展開は の範囲まで延びる。

つの範囲が一致することから、公式が出る。

レゾルベントをノイマン級数に展開する

アダマールの公式で収束半径を計算する

解析性から収束半径がスペクトル半径に一致する

n 乗根の極限がスペクトル半径になる

スペクトルが空でないことも同じ道具から出る。空だとレゾルベントが全平面で解析的かつ有界になり、リウヴィルの定理に反する[2]。

例:ボルテラ作用素

の上で、積分する作用素を考える[4]。

ノルムは である。特異値が の形になることから決まる[4]。

乗を計算すると、核が階乗で小さくなる。

ヒルベルト・シュミットノルムで上からおさえると になる。

乗根をとると へ向かう。階乗は指数関数より速く増えるためである。

スペクトルは だけ。それでも はどの でも にならない。べき零ではないのに準べき零という[4]。

例:ずらす作用素

の片側シフト を見る。 は等長なので である。

乗根も のまま。だから になる。

スペクトルは閉単位円板全体になることが知られている。半径だけを見れば、公式の値と合っている。

正規なら差が消える

正規作用素では になる[2]。ノルムがそのままスペクトルの広がりを表す。

自己共役な場合の筋道を書く。 恒等式から である。

くり返すと になる。 乗根をとると、どの でも のまま。

正規でない作用素では、この等式が崩れる。べき零行列がその極端な例である。

正規な作用素

スペクトル半径がノルムに一致する。1 回のノルムで決まる

正規でない作用素

半径がノルムより小さくなりうる。n 乗を見ないと分からない

スペクトルの散らばりを絵にすると、差がはっきりする。

応用:反復が収束する条件

が へ向かうかどうかは、スペクトル半径だけで決まる[2]。

なら、ある で になる。その先は幾何級数的に小さくなり、 である。

ノイマン級数 も、この条件で収束する。 を作る道具になる。

という条件よりも弱い。 でも なら収束する[3]。

上の で を考えると、ノルムが を超えても反復は収束する。

スペクトル半径は である。 乗すると となり、 へ向かう。

例:ノルムをとりかえると近づく

どんな に対しても、 をみたす作用素ノルムがとれる[2]。

上の で試そう。 で基底をとりかえると、行列が変わる。

を小さくすれば、右上の成分がいくらでも小さくなる。 なら である。

このときノルムは ほど。スペクトル半径 にほぼ届いた。

ノルムは基底のとり方に依存する。スペクトル半径はしない。 つの量の性格の違いがここに出る。

数値でも確かめておく。

次の行列で、対角成分が 、右上が 、左下が のものを考える。スペクトル半径はいくつになるか。

__RESULT__

上三角行列なので、固有値は対角に並んだ だけである。よってスペクトル半径は になる。 や はノルムに近い値で、 はおよそ になる。ノルムとスペクトル半径が大きく離れる例である。

検算のしかた

まず を計算し、 の上からの評価として押さえる。

次に や のノルムを出し、 乗根が下がるかを見る。下がり続けるなら、ノルムは真の値より大きい。

有限次元なら固有値を直接求めて突き合わせる。無限次元では、 乗の評価が唯一の手がかりになることも多い。

つまずきやすいところ

だと考える。正規のときだけ成り立つ。
スペクトル半径が小さければノルムも小さいと思う。べき零行列が反例になる。
極限が下から近づくと考える。 はいつも 以上である。
準べき零をべき零と混同する。ボルテラ作用素は のままである。
の値で判断する。収束が遅い場合、 回では何も言えない。
だと反復が発散すると考える。 なら収束する。
スペクトルが空になりうると思う。有界作用素では空にならない。

回のノルムでは足りない。何回か合成してから測ることで、はじめてスペクトルの広がりが見えてくる。

出典

Spectral radius - Wikipedia
Spektralradius - Wikipedia
Rayon spectral - Wikipédia
Volterra operator - Wikipedia
対角が $0$、右上が $2$ の行列はノルムが $2$ でも固有値が $0$ しかありません。$1$ 回のノルムではスペクトルの広がりが分からない。$\|T^n\|^{1/n}$ の極限をとると正確な値へ落ち着きます。証明はレゾルベントのノイマン級数とアダマールの公式。収束が遅い行列の数値、ノルムが $2/\pi$ でスペクトルが $\{0\}$ だけのボルテラ作用素、正規なら差が消える理由、基底をとりかえるとノルムが半径へ近づく話まで。