Largest absolute value of an operator's eigenvalues
В математике спектральный радиус квадратной матрицы — это максимальное из абсолютных значений ее собственных значений . [1] В более общем смысле, спектральный радиус ограниченного линейного оператора — это верхняя грань абсолютных значений элементов его спектра . Спектральный радиус часто обозначается ρ(·) .
Определение
Матрицы
Пусть λ 1 , ..., λ n — собственные значения матрицы A ∈ C n × n . Спектральный радиус A определяется как
![{\displaystyle \rho (A)=\max \left\{|\lambda _{1}|,\dotsc,|\lambda _{n}|\right\}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Спектральный радиус можно рассматривать как нижнюю границу всех норм матрицы. Действительно, с одной стороны, для всякой естественной матричной нормы ; а с другой стороны, формула Гельфанда утверждает, что . Оба этих результата показаны ниже.
![{\displaystyle \|\cdot \|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (A)=\lim _{k\to \infty}\|A^{k}\|^{1/k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Однако спектральный радиус не обязательно удовлетворяет произвольным векторам . Чтобы понять, почему, пусть это будет произвольно и рассмотрим матрицу![{\displaystyle \|A\mathbf {v} \|\leqslant \rho (A)\|\mathbf {v} \|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathbf {v} \in \mathbb {C} ^{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle r>1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
.
Характеристический полином равен , поэтому его собственные значения равны и . Однако, . Как результат,![{\displaystyle C_{r}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \lambda ^{2}-1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \{-1,1\}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (C_{r})=1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle C_{r}\mathbf {e} _{1}=r\mathbf {e} _{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \|C_{r}\mathbf {e} _{1} \|=r>1 = \rho (C_{r})\|\mathbf {e} _{1}\|.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В качестве иллюстрации формулы Гельфанда отметим, что как , так как if четно, а if нечетно.![{\displaystyle \|C_{r}^{k}\|^{1/k}\to 1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k\to \infty}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle C_{r}^{k}=I}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle C_{r}^{k}=C_{r}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Особым случаем, когда для всех является эрмитова матрица и евклидова норма . Это связано с тем, что любая эрмитова матрица диагонализуется унитарной матрицей , а унитарные матрицы сохраняют длину вектора. Как результат,![{\displaystyle \|A\mathbf {v} \|\leqslant \rho (A)\|\mathbf {v} \|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathbf {v} \in \mathbb {C} ^{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle А}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \|\cdot \|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \|A\mathbf {v} \|=\|U^{*}DU\mathbf {v} \|=\|DU\mathbf {v} \|\leqslant \rho (A)\|U \mathbf {v} \|=\rho (A)\|\mathbf {v} \|.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Ограниченные линейные операторы
В контексте ограниченного линейного оператора A в банаховом пространстве собственные значения необходимо заменить элементами спектра оператора , то есть значениями, для которых не является биективным. Обозначим спектр через![{\displaystyle \lambda }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle A-\lambda I}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \sigma (A)=\left\{\lambda \in \mathbb {C} :A-\lambda I\;{\text{не является биективным}}\right\}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Спектральный радиус тогда определяется как верхняя граница величин элементов спектра:
![{\displaystyle \rho (A)=\sup _ {\lambda \in \sigma (A)}|\lambda |}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Формула Гельфанда, известная также как формула спектрального радиуса, справедлива и для ограниченных линейных операторов: обозначая норму оператора , имеем![{\displaystyle \|\cdot \|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (A)=\lim _{k\to \infty }\|A^{k}\|^{\frac {1}{k}}=\inf _{k\in \mathbb { N} ^{*}}\|A^{k}\|^{\frac {1}{k}}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Ограниченный оператор (в комплексном гильбертовом пространстве) называется спектроидным оператором, если его спектральный радиус совпадает с его числовым радиусом . Примером такого оператора является обычный оператор .
Графики
Спектральный радиус конечного графа определяется как спектральный радиус его матрицы смежности .
Это определение распространяется на случай бесконечных графов с ограниченными степенями вершин (т.е. существует некоторое действительное число C такое, что степень каждой вершины графа меньше C ). В этом случае для графа G определим:
![{\displaystyle \ell ^{2}(G)=\left\{f:V(G)\to \mathbf {R} \ :\ \sum \nolimits _ {v\in V(G)}\left\ |f(v)^{2}\right\|<\infty \right\}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Пусть γ — оператор смежности группы G :
![{\displaystyle {\begin{cases}\gamma :\ell ^{2}(G)\to \ell ^{2}(G)\\(\gamma f)(v)=\sum _{(u, v)\in E(G)}f(u)\end{cases}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Спектральный радиус G определяется как спектральный радиус ограниченного линейного оператора γ .
Верхние границы
Верхние оценки спектрального радиуса матрицы
Следующее предложение дает простые, но полезные верхние оценки спектрального радиуса матрицы.
Предложение. Пусть A ∈ Cn × n со спектральным радиусом ρ ( A ) и согласованной матричной нормой ||⋅ || . Тогда для каждого целого числа :![{\displaystyle k\geqslant 1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (A)\leq \|A^{k}\|^{\frac {1}{k}}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Доказательство
Пусть ( v , λ ) — пара собственный вектор - собственное значение матрицы A. Учитывая субмультипликативность матричной нормы, получаем:
![{\displaystyle |\lambda |^{k}\|\mathbf {v} \|=\|\lambda ^{k}\mathbf {v} \|=\|A^{k}\mathbf {v} \ |\leq \|A^{k}\|\cdot \|\mathbf {v} \|.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Поскольку v ≠ 0 , мы имеем
![{\displaystyle |\lambda |^{k}\leq \|A^{k}\|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
и поэтому
![{\displaystyle \rho (A)\leq \|A^{k}\|^{\frac {1}{k}}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
завершая доказательство.
Верхние оценки спектрального радиуса графа
Существует множество верхних оценок спектрального радиуса графа, выраженного количеством вершин n и количеством ребер m . Например, если
![{\displaystyle {\frac {(k-2)(k-3)}{2}}\leq mn\leq {\frac {k(k-3)}{2}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где целое число, то [2]![{\displaystyle 3\leq k\leq n}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (G)\leq {\sqrt {2m-n-k+{\frac {5}{2}}+{\sqrt {2m-2n+{\frac {9}{4}}}}} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Последовательность мощности
Спектральный радиус тесно связан с поведением сходимости степенной последовательности матрицы; а именно, как показывает следующая теорема.
Теорема. Пусть A ∈ C n × n со спектральным радиусом ρ ( A ) . Тогда ρ ( A ) < 1 тогда и только тогда, когда
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }A^{k}=0.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
С другой стороны, если ρ ( A ) > 1 , . Утверждение справедливо для любого выбора матричной нормы на C n × n .![{\displaystyle \lim _ {k\to \infty } \|A^{k} \|=\infty }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Доказательство
Предположим, что оно стремится к нулю при стремлении к бесконечности. Мы покажем, что ρ ( A ) < 1 . Пусть ( v , λ ) — пара собственный вектор - собственное значение для A. Поскольку A k v = λ k v , мы имеем![{\displaystyle A^{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{aligned}0&=\left(\lim _{k\to \infty }A^{k}\right)\mathbf {v} \\&=\lim _{k\to \infty }\left(A^{k}\mathbf {v} \right)\\&=\lim _{k\to \infty }\lambda ^{k}\mathbf {v} \\&=\mathbf {v } \lim _{k\to \infty }\lambda ^{k}\end{aligned}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Поскольку v ≠ 0 по условию, мы должны иметь
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty}\lambda ^{k}=0,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
что подразумевает . Поскольку это должно быть верно для любого собственного значения , мы можем заключить, что ρ ( A ) <1 .![{\displaystyle |\lambda |<1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \lambda }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Теперь предположим, что радиус A меньше 1 . Из теоремы Жордана о нормальной форме мы знаем, что для всех A ∈ Cn × n существуют V , J ∈ Cn × n с неособым V и блочной диагональю J такие , что:
![{\displaystyle A=VJV^{-1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
с
![{\displaystyle J={\begin{bmatrix}J_{m_{1}}(\lambda _{1})&0&0&\cdots &0\\0&J_{m_{2}}(\lambda _{2})&0&\cdots &0\\\vdots &\cdots &\ddots &\cdots &\vdots \\0&\cdots &0&J_{m_{s-1}}(\lambda _{s-1})&0\\0&\cdots &\cdots &0&J_{m_{s}}(\lambda _{s})\end{bmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где
![{\displaystyle J_{m_{i}}(\lambda _{i})={\begin{bmatrix}\lambda _{i}&1&0&\cdots &0\\0&\lambda _{i}&1&\cdots &0\\ \vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\vdots \\0&0&\cdots &\lambda _{i}&1\\0&0&\cdots &0&\lambda _{i}\end{bmatrix}}\in \mathbf { C} ^{m_{i}\times m_{i}},1\leq i\leq с.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Это легко увидеть
![{\displaystyle A^{k}=VJ^{k}V^{-1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
и, поскольку J блочно-диагональный,
![{\displaystyle J^{k}={\begin{bmatrix}J_{m_{1}}^{k}(\lambda _{1})&0&0&\cdots &0\\0&J_{m_{2}}^{k }(\lambda _{2})&0&\cdots &0\\\vdots &\cdots &\ddots &\cdots &\vdots \\0&\cdots &0&J_{m_{s-1}}^{k}(\lambda _{s-1})&0\\0&\cdots &\cdots &0&J_{m_{s}}^{k}(\lambda _{s})\end{bmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Теперь стандартный результат о k -степени жорданового блока гласит, что для :![{\displaystyle m_{i}\times m_{i}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k\geq m_{i}-1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle J_{m_{i}}^{k}(\lambda _{i})={\begin{bmatrix}\lambda _{i}^{k}&{k \choose 1}\lambda _{ i}^{k-1}&{k \choose 2}\lambda _{i}^{k-2}&\cdots &{k \choose m_{i}-1}\lambda _{i}^{ k-m_{i}+1}\\0&\lambda _{i}^{k}&{k \choose 1}\lambda _{i}^{k-1}&\cdots &{k \choose m_ {i}-2}\lambda _{i}^{k-m_{i}+2}\\\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\vdots \\0&0&\cdots &\lambda _{i }^{k}&{k \choose 1}\lambda _{i}^{k-1}\\0&0&\cdots &0&\lambda _{i}^{k}\end{bmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Таким образом, если тогда для всех i . Следовательно, для всех i мы имеем:
![{\displaystyle |\lambda _{i}|<1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }J_{m_{i}}^{k}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
что подразумевает
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }J^{k}=0.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Поэтому,
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }A^{k} =\lim _{k\to \infty }VJ^{k}V^{-1}=V\left(\lim _{k \to \infty }J^{k}\right)V^{-1}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
С другой стороны, если , существует хотя бы один элемент в J , который не остается ограниченным при увеличении k , тем самым доказывая вторую часть утверждения.![{\displaystyle \rho (A)>1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Формула Гельфанда
Формула Гельфанда, названная в честь Израиля Гельфанда , дает спектральный радиус как предел матричных норм.
Теорема
Для любой матричной нормы ||⋅|| имеем [3]
.
Более того, в случае согласованной матрицы норма приближается сверху (действительно, в этом случае для всех ).![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }\left\|A^{k}\right\|^{\frac {1}{k}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (A)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (A)\leq \left\|A^{k}\right\|^{\frac {1}{k}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Доказательство
Для любого ε > 0 определим две следующие матрицы:
![{\displaystyle A_{\pm }={\frac {1}{\rho (A)\pm \varepsilon }}A.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Таким образом,
![{\displaystyle \rho \left(A_{\pm }\right)={\frac {\rho (A)}{\rho (A)\pm \varepsilon }},\qquad \rho (A_ {+}) <1<\rho (A_{-}).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Начнем с применения предыдущей теоремы о пределах степенных последовательностей к A + :
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }A_{+}^{k}=0.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Это показывает существование N + ∈ N такого, что для всех k ≥ N + ,
![{\displaystyle \left\|A_{+}^{k}\right\|<1.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Поэтому,
![{\displaystyle \left\|A^{k}\right\|^{\frac {1}{k}}<\rho (A)+\varepsilon .}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Аналогично, из теоремы о степенных последовательностях следует, что она не ограничена и существует N − ∈ N такое, что для всех k ≥ N − ,![{\displaystyle \|A_{-}^{k}\|}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \left\|A_{-}^{k}\right\|>1.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Поэтому,
![{\displaystyle \left\|A^{k}\right\|^{\frac {1}{k}}>\rho (A)-\varepsilon .}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Пусть N = max{ N + , N − }. Затем,
![{\displaystyle \forall \varepsilon >0\quad \exists N\in \mathbf {N} \quad \forall k\geq N\quad \rho (A)-\varepsilon <\left\|A^{k}\ вправо\|^{\frac {1}{k}}<\rho (A)+\varepsilon ,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
то есть,
![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }\left\|A^{k}\right\|^{\frac {1}{k}}=\rho (A).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
На этом доказательство завершается.
Следствие
Формула Гельфанда дает оценку спектрального радиуса произведения коммутирующих матриц: если все матрицы коммутируют, то![{\displaystyle A_{1},\ldots,A_{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rho (A_{1}\cdots A_{n})\leq \rho (A_{1}) \cdots \rho (A_{n}).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Численный пример
Рассмотрим матрицу
![{\displaystyle A={\begin{bmatrix}9&-1&2\\-2&8&4\\1&1&8\end{bmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
чьи собственные значения равны 5, 10, 10 ; по определению ρ ( A ) = 10 . В следующей таблице приведены значения для четырех наиболее часто используемых норм в сравнении с несколькими возрастающими значениями k (обратите внимание, что из-за особой формы этой матрицы ):![{\displaystyle \|A^{k}\|^{\frac {1}{k}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \|.\|_{1} =\|.\|_{\infty }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Примечания и ссылки
- ^ Градштейн, И.С. (1980). Таблица интегралов, рядов и произведений. И. М. Рыжик, Алан Джеффри (корр. и англ. Ред.). Нью-Йорк: Академическая пресса. ISBN 0-12-294760-6. ОСЛК 5892996.
- ^ Го, Цзи-Мин; Ван, Чжи-Вэнь; Ли, Синь (2019). «Точные верхние границы спектрального радиуса графа». Дискретная математика . 342 (9): 2559–2563. дои : 10.1016/j.disc.2019.05.017 . S2CID 198169497.
- ^ Формула справедлива для любой банаховой алгебры ; см. лемму IX.1.8 в Dunford & Schwartz 1963 и Lax 2002, стр. 195–197.
Библиография
- Данфорд, Нельсон; Шварц, Джейкоб (1963), Линейные операторы II. Спектральная теория: самосопряженные операторы в гильбертовом пространстве , Interscience Publishers, Inc.
- Лакс, Питер Д. (2002), Функциональный анализ , Wiley-Interscience, ISBN 0-471-55604-1
Смотрите также