S21. 连续谱阈值与奇性稳定性
—— Weyl–Titchmarsh 相位—密度、散射通道与窗化误差的阈值判据
摘要(定性)
在一阶辛型规范系统与 de Branges—Herglotz—Clark 词典下,本文把阈值刻画为 Weyl–Titchmarsh 函数的边界虚部(谱密度)与散射总相位导数的退化点;把稳定性刻画为在有限阶 Euler–Maclaurin(EM)换序与 Nyquist–Poisson–EM 三分解(“别名/伯努利层/截断”)纪律下,奇性集合(含极点/零点)与其阶在窗化与近似中保持不变或仅作可定界的局部位移。核心同一式
把 de Branges 相位导数、Weyl–Titchmarsh 函数的边界虚部与绝对连续谱密度统一;由散射—内函数—功能方程词典得
从而阈值即散射相位的临界点。本文进一步以 Rouché 定理给出零集的定量稳定半径,并在 Bregman–KL 灵敏度框架下给出窗化近似对 与 的可检偏差界。全文坚持“极点 = 主尺度“的纪律与纯数学体例。
0. 设定与预备
0.1 规范系统、Weyl 函数与谱密度
设 $J=\begin{psmallmatrix}0&-1\1&0\end{psmallmatrix}$,取一阶辛型规范系统
并假定 。对每个 存在唯一(至常数)Weyl 解,Weyl–Titchmarsh 函数 属 Herglotz 类,具有表示
其中 为非负 Borel 测度。绝对连续谱密度
0.2 de Branges—Herglotz 词典与相位—密度同一
取 Hermite–Biehler(HB)整函数 ,使 de Branges 空间 与上节规范系统等价。写
注(Clark–Cayley 与 函数、测度区分):令 ( 为实整函数),则
亦为 Herglotz/Nevanlinna 函数。但因 a.e.,故 a.e.,。 的 Aleksandrov–Clark 测度 一般纯奇或奇/绝对连续混合,不等于 Weyl–Herglotz 表示中的 ;二者仅在特殊规范与正则性下可比较。本文所用的谱测度 与密度 来自下述 Weyl–Titchmarsh 函数 的 Herglotz 表示,一律以 定义 ,不以 定义。
在与所给规范系统配对的标准 de Branges 生成元 下,存在 Weyl–Titchmarsh 函数 (Nevanlinna/Herglotz 类, 于 ),其非切(nontangential)边界值满足
若选取与该规范系统相匹配的标准生成元 (实轴无零),则 ;在更一般的规范下仅保证 的边界关系,不能据此断言 属 Herglotz。更换 Weyl 边界将使 发生 Möbius 变换 ,本同一式需随规范重申。
并且由再生核 的经典公式得到
从而 de Branges 相位 在非奇异区间严格递增。
术语约定:为避免混淆,下文统一称 为“de Branges 相位“、 为“散射总相位“;由 §0.3 可知散射总相位满足 (物理上相位随能量非增)。
0.3 散射矩阵与总相位(单通道归一)
假设:与自由参照系构成短程散射对(如一维 Schrödinger 短程势,或等价的迹类/限制性条件),并以 Jost 解归一,使 Wronskian 与通量归一一致。则存在与 无关的 unimodular 常数 (与能量无关的相位常数),使二维散射矩阵 满足
(注:由 §0.2 的定义 及 ,得 ,故 )
上式在上述短程性/限制性条件与 Wronskian 归一下成立;在更一般场景中应改用谱移函数 表述:、,从而仍得 。
多通道推广:多通道情形下 (或用 ),其余结论逐点沿用。
适用范围:若实轴酉性或镜像对称不满足(如存在吸收/非自伴扰动),则用谱移函数 的一般形式替代:、,结论改述为 。
0.4 窗化与有限阶 EM 三分解
取偶窗/偶核 (带限或指数衰减),尺度 ,设 。连续—离散换序仅使用有限阶 EM:
由此得到非渐近误差三分解
在“带限 + Nyquist“条件下 ;指数型整窗时 alias 被吸收到同一条带内的整函数误差。
0.5 信息几何与灵敏度
在 BN–Bregman 框架中,引入势 (-强凸、-平滑),软目标
并以Pinsker(单侧上界)不等式 作为 KL–TV 链接的度量桥;若需由 TV 估计 KL,应显式声明只能得到单侧结论。
1. 阈值与共振:定义与基本性质
定义 21.1(连续谱阈值) 为阈值,若 ,且 在 以有限阶 (实数)消失:存在邻域与常数 使 ()。称 为阈值阶,定义为最小非负实数使得 。
定义 21.2(函数级共振) 为共振,若 且 ;当 的极限点存在时称临界共振。
命题 21.3(相位—密度—阈值) a.e.。故 为阈值 ,阈值阶等于 的零阶。 证明:由 (0.1)。
2. 散射判据与相位单调性(单通道归一)
定理 21.4(散射相位导数判据) 令 取连续分支。则
因此 为阈值 。 证明:由 (0.3),,故 ,从而 (由 (0.1))。亦可由 Birman–Krein 公式 、 推出。
推论 21.5(单调与临界) 若开区间 上 ,则 在 上严格单调;若 在 为二阶(及以上)接触,则 在 为平坦临界。
3. “极点 = 主尺度“与窗化不改奇性
令 为解析母对象(如轨道/谱侧配对 ),窗化后
定理 21.6(奇性不增与极阶不升) 假设:(1) 窗/核 取 Paley–Wiener 带限(带宽 )或有指数型整函数衰减;(2) 采样率 (Nyquist);(3) 连续—离散换序固定为有限阶 的 EM。
则在工作条带内, 与 具有相同的奇性集合(极点/本性/分支不增),且极点阶不升;若 在奇点处非零,则极阶保持不变。
注(奇性对象):定理 21.6 的“奇性“系指所考察的解析对象(如 、 等)的极点/分支/本性奇性;若以 作对象,则对应考虑 或 的奇性。
证明:有限阶 EM 仅引入有限个端点差分(伯努利层)与整函数余项;带限 + Nyquist 使 ;指数衰减使 alias 进入整函数误差并给出显式上界。故 在同一工作条带内解析;当输入窗/核与母对象在 上为整时,差值才为整。因而奇性集合不增、极阶不升的结论在工作条带内成立。由洛朗首项不变性得极阶结论。
EM 纪律强调:将 EM 误作无穷级并逐项外推会引入伪奇性并破坏“极点不增“。本文固定有限阶 ,并统一用 (0.4) 给出非渐近上界。严禁把 EM 当作渐近无穷级逐项外推。在可检清单中需记录所用阶数 与端点导数阶。
命题 21.7(窗化非负性) 若 、,则
并且 。从而窗化不会生成伪负谱或虚阈值。 证明:等号在绝对连续部分成立由 (0.1);不等式由 与逐点非负。
4. Rouché 型零集稳定半径
设 为有界单连通域, 于 。
定理 21.8(稳定半径) 若近似 满足 ,则 与 在 中零点计数(含重数)相同,且零点位移由 可控。并有可检上界
其中 为显式常数。端点导数到伯努利层的具体常数可引用 S18 的三分解常数表。 证明:Rouché 定理结合 (0.4)。
注(可检操作性): 可由带限窗 + 最大模估计 + 采样阈值检验给出下界;三分解三项均可逐项给出显式上界。推荐检查步骤:(1) 选择条带边界 ;(2) 对 在 上采样,计算 ;(3) 用窗范数、核 Sobolev 界与尾截断距离分别估计别名、伯努利层与截断项(引用 S18 §3.3 的统一非渐近上界);(4) 验证 以确保 Rouché 条件。
若另有 或零点与 有正距离,则零点位移 。本文仍以计数不变为主要结论,位移界只作可检上界指引。
5. Bregman–KL 灵敏度与阈值稳定
令 。窗化/数据扰动给出 、极小元 。
归一化假设:将窗化谱密度在工作区间 上归一化为概率密度;若存在截断尾项,则 KL/TV 在同一截断支撑上计算,并计入尾项占比 的校正常数。为得到 的控制,默认在工作区间内相关密度上下有界, 依赖于该界与 。
定理 21.9(信息—能量—阈值稳定链) 在上述归一化与 -凸平滑条件下,存在常数 使
从而
并且阈值集合在任意紧区间 内的局部 Hausdorff 偏移满足同阶上界(尾项质量 进入最终上界的线性加项)。 证明:强凸—平滑给出 Bregman–欧氏等价与扰动 Lipschitz 界;由 Pinsker 的单侧界 ,并结合 -强凸—平滑给出的 Bregman–欧氏等价,得到文中所需的 形式(此上界来自强凸—平滑,而非 Pinsker 本身);再由 Herglotz 表示传递到 。
6. 阈值正规形与共振靠近
定理 21.10(边界正规形与阈值阶) 设 在 的 Lebesgue 分解具有密度 (某邻域 ),且奇异部分在 无原子,并假设在某邻域 上 (即 的邻域内纯绝对连续)。则当 (实轴非切)时,
其中 为 Hilbert 变换,平滑项来自 与远离 的部分。阈值阶即 。有限阶窗化与 EM 不改变 。 证明:Herglotz—Nevanlinna 类局部结构与 (0.1),结合定理 21.6。
命题 21.11(临界共振靠近与计数不变) 设 为下半平面共振。若 在 为一阶消失(),且存在常数 使得 ,其中至少一侧单侧导数非零(例如 或 ),则在任一 Rouché 圆盘 ( 与实轴交角非零)内,
并保持计数不变。若存在边界吸收或非自伴扰动,此’共振靠近’仅作上界,不保证极限点沿法线靠近实轴。 证明:最大模估计与参数连续性,结合定理 21.8。
7. 例示模板
(i) 完成的 函数(如 ):由于 的零点(若 RH 成立)位于实轴,其并非严格 HB 函数(HB 需上半平面内 、无实零)。可采用偏移正则化 (),此时由 (0.1)(0.2) 得 ,由 (0.3) 得 。定理 21.6–21.8 与 21.9 给出窗化稳定与零集的可检稳定半径。极限 的边界过程只在边界值层面继承 (0.1),非严格 HB。或直接以规范系统生成的 de Branges 链 为例,而非直接取 。
(ii) Dirichlet :完成后的常数因子并入能量无关的相位常数(或通道特征值),仍有 。在带限/采样达 Nyquist 时别名项消失,伯努利层与尾项提供显式误差。
(iii) 离散图对照:-正则图的 Ihara–Bass 行列式给出离散“完成函数“与自倒数镜像;“离散阈值“由谱多项式零—极结构指示(等价于谱多项式的接触/重零点),窗化误差结构沿用 (0.4)。端点()处的’阈值阶’等价于 Chebyshev 型因子的重合阶。
8. 边界与适用范围
- EM 阶数:必须固定有限阶;无穷级展开会引入伪奇性。
- 散射对称:若实轴酉性或镜像对称未满足,需改用谱移函数 的一般形式;结论以 取代。
- 度量校准:Bregman–KL 链需 的强凸—平滑与 Pinsker 链接;否则仅得单侧界。
9. 可检清单(最小充分条件)
- Weyl–Herglotz:
- 说明采用的 与规范系统的对应方式(引用具体的 /初值规范)
- 给出 Weyl–Titchmarsh 函数 与
- 若使用 ,注明“满足无实零与标准归一,因此 “
- 验证
- 相位正性:用 校验单调性与符号。
- 散射相位:构造 并核对 (单通道归一 + 短程假设),从而 。
- 窗化纪律:
- 偶窗/偶核 + 有限阶 EM(记录阶数 与端点导数阶)
- 记录 的带宽 、采样率 ,验证 Nyquist
- 按 (0.4) 给出“别名/伯努利层/截断“的非渐近上界
- Rouché 半径:
- 在所选域 上给出 下界与误差上界
- 给出 的数值估计表(按 alias、伯努利层、tail 三项拆分)
- 验证零集计数不变
- 信息几何:在 条件下给出 稳定,并把偏差(含尾项 )传递至 。
- 阈值正规形:在邻域内给出 的消失阶 (含非整数阶),并核对窗化不改阶。
10. 与既有篇章的接口
- S15(Weyl–Heisenberg 酉表示):相位算子 、尺度算子 的生成元性质保证 在坐标变换下的协变性;等距性使 Herglotz 核在群平均下保持实值性。
- S16(de Branges–Krein 规范系统):在标准归一且 在 上无实零的前提下,本文 的 Herglotz 表示与 S16 §3 的 HB 生成函数对齐;传递矩阵 的 -酉性保证 ,从而 。
- S17(散射算子与功能方程):§0.3 的 即 S17 §2 的通道特征值等价;本文定理 21.4 的 给出 S17 相位导数定理的实频版本。
- S18(轨道—谱窗化不等式):本文 §0.4 的三分解与 S18 §3.3 的统一非渐近上界对齐;定理 21.6 的“奇性不增“确保 S18 窗化后主项极点保持不变。
- S19(谱图与 Ihara ζ):离散图的 Ihara–Bass 行列式给出“离散 “;本文 §7(iii) 的离散阈值与 S19 §2 的完成函数镜像对称对应。
- S20(BN 投影—KL 代价—灵敏度):定理 21.9 的信息—能量链直接调用 S20 §4 的 KL—-gap 不等式与 Pinsker 桥;本文 的扰动界与 S20 软/硬极小元的稳定性定理对齐。
参考文献
- L. de Branges, Hilbert Spaces of Entire Functions, Prentice–Hall, 1968.
- D. N. Clark, “One-dimensional perturbations of restricted shifts,” J. Anal. Math. 25 (1972), 169–191.
- C. Remling, “Canonical systems and de Branges spaces,” J. Funct. Anal. 196 (2002), 323–394.
- A. Poltoratski, “Boundary behavior of pseudocontinuable functions,” St. Petersburg Math. J. 5 (1994), 389–406.
- M. Sh. Birman, M. G. Krein, “On the theory of wave and scattering operators,” Dokl. Akad. Nauk SSSR 144 (1962), 475–478.
- D. R. Yafaev, Mathematical Scattering Theory: General Theory, AMS, 1992.
- G. Teschl, Mathematical Methods in Quantum Mechanics, 2nd ed., AMS, 2014.
- B. Simon, Orthogonal Polynomials on the Unit Circle, Parts 1–2, AMS Colloquium, 2005.
结语
以 为主轴,本文把阈值与共振的谱—散射判据、窗化—采样的非渐近误差控制、以及Bregman–KL 的灵敏度不等式统一成可检的判据体系:阈值位置与阶在明确的技术纪律下稳定,零集在 Rouché 半径内计数不变,“极点 = 主尺度“在窗化流程中保持不变。上述结构为阈值处共振生成/消失的分岔、最优窗/核设计与算子级稳定域的后续研究提供了统一且可验证的数学基础。