Случайная матрица - Random matrix

В теория вероятности и математическая физика, а случайная матрица это матрица -ценный случайная переменная - то есть матрица, в которой некоторые или все элементы являются случайными величинами. Многие важные свойства физические системы математически можно представить в виде матричных задач. Например, теплопроводность из решетка может быть вычислен из динамической матрицы взаимодействий частица-частица внутри решетки.

Приложения

Физика

В ядерная физика, случайные матрицы были введены Юджин Вигнер для моделирования ядер тяжелых атомов.[1] Он предположил, что расстояния между линиями в спектре ядра тяжелого атома должны напоминать расстояния между линиями. собственные значения случайной матрицы и должен зависеть только от класса симметрии основной эволюции.[2] В физика твердого тела, случайные матрицы моделируют поведение больших неупорядоченных Гамильтонианы в среднее поле приближение.

В квантовый хаос гипотеза Бохигаса – Джаннони – Шмита (БГС) утверждает, что спектральная статистика квантовых систем, классические аналоги которых демонстрируют хаотическое поведение, описывается теорией случайных матриц.[3]

В квантовая оптика, преобразования, описываемые случайными унитарными матрицами, имеют решающее значение для демонстрации преимущества квантовых вычислений над классическими (см., например, выборка бозонов модель).[4] Более того, такие случайные унитарные преобразования могут быть непосредственно реализованы в оптической схеме, путем сопоставления их параметров с компонентами оптической схемы (то есть светоделители и фазовращатели).[5]

Теория случайных матриц также нашла приложения к киральному оператору Дирака в квантовая хромодинамика,[6] квантовая гравитация в двух измерениях,[7] мезоскопическая физика,[8]крутящий момент передачи вращения,[9] то дробный квантовый эффект Холла,[10] Локализация Андерсона,[11] квантовые точки,[12] и сверхпроводники[13]

Математическая статистика и численный анализ

В многомерная статистика, случайные матрицы были введены Джон Уишарт для статистического анализа больших выборок;[14] увидеть оценка ковариационных матриц.

Были показаны важные результаты, расширяющие классический скалярный Чернов, Бернштейн, и Hoeffding неравенства на наибольшие собственные значения конечных сумм случайных Эрмитовы матрицы.[15] Выводятся следующие результаты для максимальных сингулярных значений прямоугольных матриц.

В численный анализ, случайные матрицы использовались со времен работы Джон фон Нейман и Герман Голдстайн[16] для описания ошибок вычислений в таких операциях, как матричное умножение. Смотрите также[17][18] для более свежих результатов.

Теория чисел

В теория чисел, распределение нулей Дзета-функция Римана (и другие L-функции ) моделируется распределением собственных значений некоторых случайных матриц.[19] Связь была впервые обнаружена Хью Монтгомери и Фримен Дж. Дайсон. Это связано с Гипотеза Гильберта – Полиа.

Теоретическая неврология

В области теоретической нейробиологии случайные матрицы все чаще используются для моделирования сети синаптических связей между нейронами мозга. Показано, что динамические модели нейронных сетей со случайной матрицей связности демонстрируют фазовый переход к хаосу.[20] когда дисперсия синаптических весов пересекает критическое значение на пределе бесконечного размера системы. Связь статистических свойств спектра моделей случайных матриц, основанных на биологической природе, с динамическим поведением случайно связанных нейронных сетей - тема интенсивных исследований.[21][22][23][24][25]

Оптимальный контроль

В оптимальный контроль теория, эволюция п переменные состояния во времени в любой момент зависят от их собственных значений и от значений k управляющие переменные. При линейной эволюции матрицы коэффициентов появляются в уравнении состояния (уравнении эволюции). В некоторых задачах значения параметров в этих матрицах неизвестны с уверенностью, и в этом случае в уравнении состояния присутствуют случайные матрицы, и проблема известна как одна из стохастический контроль.[26]:гл. 13[27][28] Ключевой результат в случае линейно-квадратичное управление со стохастическими матрицами состоит в том, что принцип эквивалентности достоверности не применяется: при отсутствии неопределенность множителя (то есть только с аддитивной неопределенностью) оптимальная стратегия с квадратичной функцией потерь совпадает с тем, что было бы принято, если бы неопределенность не принималась во внимание, это больше не выполняется при наличии случайных коэффициентов в уравнении состояния.

Гауссовские ансамбли

Распределение на комплексной плоскости большого количества случайных матриц 2x2 из 4 различных гауссовских ансамблей.

Наиболее изученными ансамблями случайных матриц являются ансамбли Гаусса.

В Гауссовский унитарный ансамбль GUE (п) описывается Гауссова мера с плотностью

на пространстве Эрмитовы матрицы . Вот - нормировочная константа, выбранная так, чтобы интеграл от плотности был равен единице. Период, термин унитарный относится к тому факту, что распределение инвариантно относительно унитарного сопряжения. Гауссовские модели унитарного ансамбля Гамильтонианы отсутствие симметрии относительно обращения времени.

В Гауссов ортогональный ансамбль GOE (п) описывается гауссовой мерой с плотностью

на пространстве п × п вещественные симметричные матрицы ЧАС = (ЧАСij)п
я,j=1
. Его распределение инвариантно относительно ортогонального сопряжения и моделирует гамильтонианы с симметрией относительно обращения времени.

В Гауссов симплектический ансамбль GSE (п) описывается гауссовой мерой с плотностью

на пространстве п × п Эрмитский кватернионные матрицы, например симметричные квадратные матрицы, состоящие из кватернионы, ЧАС = (ЧАСij)п
я,j=1
. Его распределение инвариантно относительно сопряжения симплектическая группа, и он моделирует гамильтонианы с симметрией относительно обращения времени, но без симметрии вращения.

Гауссовы ансамбли GOE, GUE и GSE часто обозначают их Дайсон показатель, β = 1 для GOE, β = 2 для GUE и β = 4 для GSE. Этот индекс подсчитывает количество реальных компонентов на элемент матрицы. Определенные здесь ансамбли имеют гауссовские распределенные матричные элементы со средним значениемЧАСij⟩ = 0, а двухточечные корреляции

,

из которого следуют все высшие корреляции Теорема Иссерлиса.

Сустав плотность вероятности для собственные значения λ1,λ2,...,λп GUE / GOE / GSE предоставлено

где Zβ,п - нормировочная константа, которую можно явно вычислить, см. Интеграл Сельберга. В случае GUE (β = 2) формула (1) описывает детерминантный точечный процесс. Собственные значения отталкиваются, поскольку совместная плотность вероятности имеет нуль ( й порядок) для совпадающих собственных значений .

О распределении наибольшего собственного значения для матриц GOE, GUE и Wishart конечных размеров см.[29]

Распределение расстояний между уровнями

Из упорядоченной последовательности собственных значений , определяется нормализованная интервалы , где это средний интервал. Распределение вероятностей расстояний приблизительно определяется выражением

для ортогонального ансамбля GOE ,

для унитарного ансамбля ГУЭ , и

для симплектического ансамбля GSE .

Числовые константы таковы, что нормализовано:

и средний интервал,

для .

Обобщения

Матрицы Вигнера случайные эрмитовы матрицы так что записи

над главной диагональю расположены независимые случайные величины с нулевым средним и идентичными вторыми моментами.

Ансамбли инвариантных матриц случайные эрмитовы матрицы с плотностью на пространстве вещественных симметричных / эрмитовых / кватернионных эрмитовых матриц, которое имеет видгде функция V называется потенциалом.

Гауссовы ансамбли - единственные частные частные случаи этих двух классов случайных матриц.

Спектральная теория случайных матриц

Спектральная теория случайных матриц изучает распределение собственных значений при стремлении размера матрицы к бесконечности.

Глобальный режим

в глобальный режим, нас интересует распределение линейной статистики вида Nf, H = п−1 tr f (H).

Эмпирическая спектральная мера

В эмпирическая спектральная мера μЧАС из ЧАС определяется

Обычно предел - детерминированная мера; это частный случай самоусредняющийся. В кумулятивная функция распределения предельной меры называется интегральная плотность состояний и обозначается N(λ). Если интегральная плотность состояний дифференцируема, ее производная называется плотность состояний и обозначаетсяρ(λ).

Предел эмпирической спектральной меры для матриц Вигнера описан формулой Юджин Вигнер; увидеть Распределение полукруга Вигнера и Предположение Вигнера. Что касается выборочных ковариационных матриц, теория была развита Марченко и Пастуром.[30][31]

Предел эмпирической спектральной меры ансамблей инвариантных матриц описывается некоторым интегральным уравнением, которое возникает из теория потенциала.[32]

Колебания

Для линейной статистики Nж,ЧАС = п−1 ∑ ж(λj), также интересны флуктуации околож(λdN(λ). Для многих классов случайных матриц центральная предельная теорема вида

известно, смотри,[33][34] и т.п.

Местный режим

в местный режим, нас интересуют промежутки между собственными значениями и, в более общем плане, совместное распределение собственных значений в интервале длины порядка 1 /п. Различают массовая статистика, относящиеся к интервалам внутри носителя предельной спектральной меры, и статистика края, относящиеся к интервалам вблизи границы опоры.

Массовая статистика

Формально исправить в интерьер из поддержка из . Тогда рассмотрим точечный процесс

где - собственные значения случайной матрицы.

Точечный процесс фиксирует статистические свойства собственных значений в окрестности . Для Гауссовские ансамбли, предел известен;[2] таким образом, для GUE это детерминантный точечный процесс с ядром

синусоидальное ядро).

В универсальность принцип постулирует, что предел так как должен зависеть только от класса симметрии случайной матрицы (и ни от конкретной модели случайных матриц, ни от ). Это было строго доказано для нескольких моделей случайных матриц: для ансамблей инвариантных матриц,[35][36]для матриц Вигнера,[37][38]et cet.

Статистика Edge

Увидеть Распределение Трейси – Уидома.


Корреляционные функции

Совместная плотность вероятности собственных значений случайные эрмитовы матрицы , с статистическими суммами вида

где

и стандартная мера Лебега на пространстве эрмитского matricrs, дается

В -точечные корреляционные функции (или маржинальные распределения) определяются как

которые являются кососимметричными функциями своих переменных. В частности, одноточечная корреляционная функция, или плотность состояний, является

Его интеграл по борелевскому множеству дает ожидаемое количество собственных значений, содержащихся в :

Следующий результат выражает эти корреляционные функции как детерминанты матриц, сформированных в результате вычисления соответствующего интегрального ядра в парах точек, входящих в коррелятор.

Теорема [Dyson-Mehta] Для любого , то -точечная корреляционная функция можно записать как определитель

где это ядро Кристоффеля-Дарбу

связаны с , записанные в терминах квазиполиномов

где представляет собой полную последовательность монических многочленов указанных степеней, удовлетворяющих условиям ортогональности



Другие классы случайных матриц

Матрицы Уишарта

Матрицы Уишарта находятся п × п случайные матрицы вида ЧАС = Икс Икс*, где Икс является п × м случайная матрица (м ≥ п) с независимыми записями, и Икс* это его сопряженный транспонировать. В важном частном случае, рассмотренном Уишартом, записи Икс являются одинаково распределенными гауссовскими случайными величинами (действительными или комплексными).

Найден предел эмпирической спектральной меры матриц Уишарта.[30] от Владимир Марченко и Леонид Пастур, увидеть Марченко – Пастур раздача.

Случайные унитарные матрицы

Увидеть круговые ансамбли.

Неэрмитовы случайные матрицы

Увидеть циркулярный закон.

Справочник по ссылкам

  • Книги по теории случайных матриц:[2][39][40]
  • Обзорные статьи по теории случайных матриц:[17][31][41][42]
  • Исторические произведения:[1][14][16]

использованная литература

  1. ^ а б Вигнер, Э. (1955). «Характеристические векторы матриц с краями бесконечной размерности». Анналы математики. 62 (3): 548–564. Дои:10.2307/1970079. JSTOR  1970079.
  2. ^ а б c Мехта, М. (2004). Случайные матрицы. Амстердам: Elsevier / Academic Press. ISBN  0-12-088409-7.
  3. ^ Bohigas, O .; Giannoni, M.J .; Шмит, Шмит (1984). «Характеристика хаотических квантовых спектров и универсальность законов флуктуации уровней». Phys. Rev. Lett. 52 (1): 1–4. Bibcode:1984ПхРвЛ..52 .... 1Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.52.1.
  4. ^ Ааронсон, Скотт; Архипов, Алексей (2013). «Вычислительная сложность линейной оптики». Теория вычислений. 9: 143–252. Дои:10.4086 / toc.2013.v009a004.
  5. ^ Рассел, Николас; Чахмахчян, Левон; О'Брайен, Джереми; Лэйнг, Энтони (2017). «Прямой набор случайных унитарных матриц Хаара». Новый J. Phys. 19 (3): 033007. arXiv:1506.06220. Bibcode:2017NJPh ... 19c3007R. Дои:10.1088 / 1367-2630 / aa60ed. S2CID  46915633.
  6. ^ Вербааршот Дж. Дж., Веттиг Т. (2000). «Теория случайных матриц и киральная симметрия в КХД». Анну. Rev. Nucl. Часть. Наука. 50: 343–410. arXiv:hep-ph / 0003017. Bibcode:2000АРНПС..50..343В. Дои:10.1146 / annurev.nucl.50.1.343. S2CID  119470008.
  7. ^ Франчини Ф., Кравцов В.Е. (октябрь 2009 г.). «Горизонт в теории случайных матриц, излучение Хокинга и поток холодных атомов». Phys. Rev. Lett. 103 (16): 166401. arXiv:0905.3533. Bibcode:2009ПхРвЛ.103п6401Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.166401. PMID  19905710. S2CID  11122957.
  8. ^ Санчес Д., Бюттикер М. (сентябрь 2004 г.). «Магнитополевая асимметрия нелинейного мезоскопического переноса». Phys. Rev. Lett. 93 (10): 106802. arXiv:cond-mat / 0404387. Bibcode:2004PhRvL..93j6802S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.93.106802. PMID  15447435. S2CID  11686506.
  9. ^ Рычков VS, Borlenghi S, Jaffres H, Fert A, Waintal X (август 2009 г.). «Спиновый момент и волнистость в магнитных мультислоях: мост между теорией Вале-Ферта и квантовыми подходами». Phys. Rev. Lett. 103 (6): 066602. arXiv:0902.4360. Bibcode:2009ПхРвЛ.103ф6602Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.066602. PMID  19792592. S2CID  209013.
  10. ^ Callaway DJE (Апрель 1991 г.). «Случайные матрицы, дробная статистика и квантовый эффект Холла». Phys. Ред. B. 43 (10): 8641–8643. Bibcode:1991ПхРвБ..43.8641С. Дои:10.1103 / PhysRevB.43.8641. PMID  9996505.
  11. ^ Янссен М., Прач К. (июнь 2000 г.). «Коррелированные случайные зонные матрицы: переходы локализация-делокализация». Phys. Ред. E. 61 (6 Pt A): 6278–86. arXiv:cond-mat / 9911467. Bibcode:2000PhRvE..61.6278J. Дои:10.1103 / PhysRevE.61.6278. PMID  11088301. S2CID  34140447.
  12. ^ Zumbühl DM, Miller JB, Marcus CM, Campman K, Gossard AC (декабрь 2002 г.). «Спин-орбитальная связь, антилокализация и параллельные магнитные поля в квантовых точках». Phys. Rev. Lett. 89 (27): 276803. arXiv:cond-mat / 0208436. Bibcode:2002PhRvL..89A6803Z. Дои:10.1103 / PhysRevLett.89.276803. PMID  12513231. S2CID  9344722.
  13. ^ Bahcall SR (декабрь 1996 г.). «Случайная матричная модель сверхпроводников в магнитном поле». Phys. Rev. Lett. 77 (26): 5276–5279. arXiv:cond-mat / 9611136. Bibcode:1996ПхРвЛ..77.5276Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.77.5276. PMID  10062760. S2CID  206326136.
  14. ^ а б Уишарт, Дж. (1928). «Обобщенное распределение моментов продукта в образцах». Биометрика. 20А (1–2): 32–52. Дои:10.1093 / biomet / 20a.1-2.32.
  15. ^ Тропп, Дж. (2011). «Удобные хвостовые границы для сумм случайных матриц». Основы вычислительной математики. 12 (4): 389–434. arXiv:1004.4389. Дои:10.1007 / s10208-011-9099-z. S2CID  17735965.
  16. ^ а б von Neumann, J .; Голдстайн, HH (1947). «Численное обращение матриц высокого порядка». Бык. Амер. Математика. Soc. 53 (11): 1021–1099. Дои:10.1090 / S0002-9904-1947-08909-6.
  17. ^ а б Эдельман, А .; Рао, Н.Р. (2005). «Теория случайных матриц». Acta Numerica. 14: 233–297. Bibcode:2005AcNum..14..233E. Дои:10.1017 / S0962492904000236.
  18. ^ Шен, Дж. (2001). «О сингулярных значениях гауссовских случайных матриц». Linear Alg. Приложение. 326 (1–3): 1–14. Дои:10.1016 / S0024-3795 (00) 00322-0.
  19. ^ Китинг, Джон (1993). «Дзета-функция Римана и квантовая хаология». Proc. Междунар. Школа физ. Энрико Ферми. CXIX: 145–185. Дои:10.1016 / b978-0-444-81588-0.50008-0. ISBN  9780444815880.
  20. ^ Сомполинский, Н .; Crisanti, A .; Соммерс, Х. (июль 1988 г.). «Хаос в случайных нейронных сетях». Письма с физическими проверками. 61 (3): 259–262. Bibcode:1988ПхРвЛ..61..259С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.61.259. PMID  10039285.
  21. ^ Гарсиа дель Молино, Луис Карлос; Пакдаман, Хашаяр; Тубуль, Джонатан; Уэйнриб, Жиль (октябрь 2013 г.). «Синхронизация в случайно сбалансированных сетях». Физический обзор E. 88 (4): 042824. arXiv:1306.2576. Bibcode:2013PhRvE..88d2824G. Дои:10.1103 / PhysRevE.88.042824. PMID  24229242. S2CID  14550831.
  22. ^ Раджан, Канака; Эбботт, Л. (ноябрь 2006 г.). «Спектры собственных значений случайных матриц для нейронных сетей». Письма с физическими проверками. 97 (18): 188104. Bibcode:2006ПхРвЛ..97р8104Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.188104. PMID  17155583.
  23. ^ Уайнриб, Жиль; Тубуль, Джонатан (март 2013 г.). «Топологическая и динамическая сложность случайных нейронных сетей». Письма с физическими проверками. 110 (11): 118101. arXiv:1210.5082. Bibcode:2013PhRvL.110k8101W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.118101. PMID  25166580. S2CID  1188555.
  24. ^ Тимме, Марк; Вольф, Фред; Гейзель, Тео (февраль 2004 г.). «Топологические ограничения скорости сетевой синхронизации». Письма с физическими проверками. 92 (7): 074101. arXiv:cond-mat / 0306512. Bibcode:2004ПхРвЛ..92г4101Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.074101. PMID  14995853. S2CID  5765956.
  25. ^ Мьюир, Дилан; Миссис-Флогель, Томас (2015). «Оценки собственного спектра для полуслучайных матриц с модульной и пространственной структурой для нейронных сетей» (PDF). Phys. Ред. E. 91 (4): 042808. Bibcode:2015ПхРвЭ..91д2808М. Дои:10.1103 / PhysRevE.91.042808. PMID  25974548.
  26. ^ Чоу, Грегори П. (1976). Анализ и управление динамическими экономическими системами. Нью-Йорк: Вили. ISBN  0-471-15616-7.
  27. ^ Турновский, Стивен (1976). «Оптимальная политика стабилизации для стохастических линейных систем: случай коррелированных мультипликативных и аддитивных возмущений». Обзор экономических исследований. 43 (1): 191–194. Дои:10.2307/2296614. JSTOR  2296741.
  28. ^ Турновский, Стивен (1974). «Свойства устойчивости оптимальной экономической политики». Американский экономический обзор. 64 (1): 136–148. JSTOR  1814888.
  29. ^ Чиани М (2014). «Распределение наибольшего собственного значения для реальных Wishart и гауссовских случайных матриц и простое приближение для распределения Tracy-Widom». Журнал многомерного анализа. 129: 69–81. arXiv:1209.3394. Дои:10.1016 / j.jmva.2014.04.002. S2CID  15889291.
  30. ^ а б .Марченко, В А; Пастур, Л. А. (1967). «Распределение собственных значений для некоторых наборов случайных матриц». Математика СССР-Сборник. 1 (4): 457–483. Bibcode:1967SbMat ... 1..457M. Дои:10.1070 / SM1967v001n04ABEH001994.
  31. ^ а б Пастур, Л.А. (1973). «Спектры случайных самосопряженных операторов». Русь. Математика. Surv. 28 (1): 1–67. Bibcode:1973РуМаС..28 .... 1П. Дои:10.1070 / RM1973v028n01ABEH001396.
  32. ^ Пастур, Л .; Щербина, М. (1995). «О подходе статистической механики в теории случайных матриц: интегральная плотность состояний». J. Stat. Phys. 79 (3–4): 585–611. Bibcode:1995JSP .... 79..585D. Дои:10.1007 / BF02184872. S2CID  120731790.
  33. ^ Йоханссон, К. (1998). «О флуктуациях собственных значений случайных эрмитовых матриц». Duke Math. J. 91 (1): 151–204. Дои:10.1215 / S0012-7094-98-09108-6.
  34. ^ Пастур, Л.А. (2005). «Простой подход к глобальному режиму гауссовских ансамблей случайных матриц». Украинская математика. J. 57 (6): 936–966. Дои:10.1007 / s11253-005-0241-4. S2CID  121531907.
  35. ^ Пастур, Л .; Щербина, М. (1997). «Универсальность локальной статистики собственных значений для класса унитарных инвариантных ансамблей случайных матриц». Журнал статистической физики. 86 (1–2): 109–147. Bibcode:1997JSP .... 86..109P. Дои:10.1007 / BF02180200. S2CID  15117770.
  36. ^ Deift, P .; Kriecherbauer, T .; McLaughlin, K.T.-R .; Venakides, S .; Чжоу, X. (1997). «Асимптотика для многочленов, ортогональных относительно переменных экспоненциальных весов». Уведомления о международных математических исследованиях. 1997 (16): 759–782. Дои:10.1155 / S1073792897000500.
  37. ^ Erdős, L .; Пече, С.; Ramírez, J.A .; Schlein, B .; Яу, Х. (2010). «Массовая универсальность матриц Вигнера». Сообщения по чистой и прикладной математике. 63 (7): 895–925.
  38. ^ Тао, Теренс; Ву, Ван Х. (2010). «Случайные матрицы: универсальность локальной статистики собственных значений с точностью до края». Коммуникации по математической физике. 298 (2): 549–572. arXiv:0908.1982. Bibcode:2010CMaPh.298..549T. Дои:10.1007 / s00220-010-1044-5. S2CID  16594369.
  39. ^ Андерсон, G.W .; Guionnet, A .; Зейтуни, О. (2010). Введение в случайные матрицы. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-19452-5.
  40. ^ Akemann, G .; Baik, J .; Ди Франческо, П. (2011). Оксфордский справочник по теории случайных матриц. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-957400-1.
  41. ^ Диаконис, Перси (2003). «Паттерны в собственных значениях: 70-я лекция Джозии Уилларда Гиббса». Американское математическое общество. Бюллетень. Новая серия. 40 (2): 155–178. Дои:10.1090 / S0273-0979-03-00975-3. Г-Н  1962294.
  42. ^ Диаконис, Перси (2005). "Что такое ... случайная матрица?". Уведомления Американского математического общества. 52 (11): 1348–1349. ISSN  0002-9920. Г-Н  2183871.

внешние ссылки