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S27. 局部化算子、Carleson 测度与 Weyl 定律

—— de Branges–Mellin 框架中的核论证、迹恒等与非渐近窗化误差

Version: 1.13

摘要(定性)

在以 Hermite–Biehler 函数 生成的 de Branges 空间 中,本文建立三条互锁结构:其一,用核论证(reproducing-kernel thesis, RKT)刻画 的上/下 Carleson 测度,并在“相位导数测度“下给出采样/插值的密度律;其二,给出局部化(Toeplitz/Berezin)算子迹恒等Weyl 型谱分布(弱极限),把“符号 相位密度“的积分等同于算子迹;其三,数值实现严格遵循有限阶 Euler–Maclaurin(EM)纪律,误差由“别名(Poisson)+ 伯努利层(EM 余项)+ 截断“三项非渐近封顶。上述结论与 de Branges 核对角公式、Weyl–Titchmarsh -函数的相位—密度词典一致,并可与散射论中的 Birman–Kreĭn/相移公式互相接口。


0. 设定与记号

为 Hermite–Biehler(HB)函数, 为对应的 de Branges 空间,其再生核 满足 。写

其中

记 Weyl–Titchmarsh -函数之边界值 与谱测度 的绝对连续密度 。标准恒等式为

亦即“核对角 = 相位导数 = 相对谱密度“。

相位密度测度作为基准计量:

数值实现中,窗函数一律取,并满足 与 §3 的 EM 阶次一致),且尺度化 。据此 满足 且当 时在每个有界区间上 。离散—连续换序只使用有限阶 EM 公式(余项显式可积表达),Poisson 召回“别名“项;三者合称“Nyquist–Poisson–EM 三分解“。

记号约定:写 表示存在常数 ,其仅依赖于(A)中的 Doubling 常数、离散序列的分离常数、固定 EM 阶次 及所选窗族的固定正则性/支配常数,而 、区间 与具体符号 无关 同理; 指双边界。

说明(散射接口):在散射谱模型下 即相移导数/谱移函数的密度表述,与 Birman–Kreĭn 轨迹公式兼容;近年在广义背景下仍有活跃发展。


1. Carleson 测度与核论证(RKT)

1.1 定义与基准

对正测度 上局部有限),称其为 上 Carleson 测度,若

下 Carleson(逆 Carleson),若

基准测度 与核对角通过上式联动,见 §0。

1.2 上 Carleson的核测试(充分必要)

定理 1.1(RKT:上 Carleson 核测试). 假设(A) 为 Doubling(例如关联内函数为一成分的典型情形)。

则对一切正测度 ,以下等价:

若(A)不成立,则 (i)(ii) 仍成立,而反向蕴含一般不保证。

证明要点(修订). 设嵌入 。定义 为有界正半双线性型,存在唯一正有界算子 使得 ,且 。于是 在(A)下,利用标准的 reproducing‑kernel thesis 引理(连续帧/覆盖估计),可由右端上界控制左端,从而得 (ii)(i);一般情形仍有 (i)(ii)。∎

:在 Doubling 的情形,真实轴采样/插值可得密度刻画,见 §4。

1.3 下 Carleson与逆核测试

定理 1.2(逆 Carleson = 逆核测试,修订). 为正测度且在每个有界区间内有限(可离散/绝对连续/混合),则存在 使

当且仅当 为下 Carleson。

证略. 有下界 。以 代入得 反向同理。∎

1.4 离散测度与分离序列

在相位度量 分离,写 。 由 1.1–1.2: 上 Carleson 为 Bessel 系;上下皆成立 为框架(即 为采样集);下 Carleson 下框架。此与模型子空间/Dirichlet-型空间中的结论并行。


2. 局部化算子:迹恒等与 Weyl 型谱分布

2.1 恒等分解与对角核

由 de Branges 边界模型 与 §0 核对角式,得到

2.2 定义(局部化/Toeplitz–Berezin 型算子)

取有界实值符号 实值偶窗 ,定义

自伴。 (a.e.) (反向一般不保证)。 若再有 ,则 迹类当且仅当 ,且 在一般实值(可变号)情形,且

在 §2.4–§2.5 中默认 以合法使用 Ky Fan 与 Lidskii。

下,由 (2.2) 得对任意 ,从而

2.3 迹恒等

定理 2.1(迹恒等). 迹类,则

证明(修订). 时, 的迹为 1(此处 ),利用单调收敛与分解 。一般实值时,在 下, 在迹范数下可积,故可按 Bochner/Fubini 换序并得同式。∎

2.4 Ky Fan 原理与层集上界

为特征值降序列。

命题 2.2(Ky Fan 上界——修订). 假设 ,并以 为参照定义其非增重排 于区间 ,其中 。则对任意

证意. 用分解 与连续帧的分辨率恒等式,结合 Ky Fan 最大化原理与 Hardy–Littlewood 重排不等式得之。∎

2.5 Weyl 型谱分布(弱极限)

定理 2.3(Weyl 定律,弱收敛版). 下成立。 于每个有界区间且满足 §3 的有限阶 EM 纪律。记 。由于对每个固定 ,且 ,故 ,从而 ;由 为 Lipschitz,得 。则对任意满足 为 Lipschitz 的函数,

证明思路. 与 Lipschitz 得 ,故 (Lidskii)。结合定理 2.1 的迹恒等式、Ky Fan 原理与 的近似恒等性质,得弱收敛。∎

散射接口:在散射/完成函数等价下, 为相位导数,故 等价于““对散射密度的加权积分,与 Birman–Kreĭn 公式一致。


3. 非渐近窗化误差:Nyquist–Poisson–EM 三分解

记对 (2.1)–(2.3) 的数值实现

定理 3.1(三分解上界,非渐近). 平滑到阶 ,则

其中 由 Poisson 公式的“离带镜像“项显式给出(Nyquist 条件下可为 0);

为 Euler–Maclaurin 余项的绝对值; 取决于 的支集与衰减。

,令 。则 其中 周期化 Bernoulli 多项式 的分数部分);此处要求

实现建议:保持 有限阶 EM(严禁逐项无穷外推),并优先选择带限/指数衰减的偶窗以压低


4. 采样/插值的密度律(Landau 型)

为相位度量下分离序列, 有界区间。记

定理 4.1(必要密度条件). 为采样集(存在上/下框架常数),则

为插值集,则

证明要点. 代入迹恒等与命题 2.2,并用 §1 的上/下 Carleson 得计数与 的比较。∎

定理 4.2(密度刻画:Doubling 情形). 为 Doubling,则采样/插值在实轴上的必要充分密度条件均以 给出(几何密度阈值)。


5. 离散图对照(Ihara ζ 与非回溯算子)

在有限 -正则图上,取 为所处 Hilbert 空间的正交标准基,构造“离散局部化算子“

,与 Ihara–Bass 行列式公式 的“长度频率计数“相呼应;图上之“密度—计数—迹“关系与连续情形平行,并可借 Poisson/EM 给出离散三分解误差。


6. 适用范围与失效边界

  1. EM 仅取有限阶:无穷级外推会引入伪奇性与数值不稳定。
  2. 窗/核正则性:若窗非偶或衰减不足,需回退到一般 RKHS 的投影–卷积表达并以 RKT 重新估计。
  3. 符号非界/支集过大 可能非迹类;可先在区间上截断符号并用 §3 的三分解闭合。
  4. RKT 充要性:一般 RKHS 不总成立;在 与模型子空间的若干类(含 Doubling、一成分情形、Dirichlet-型空间)成立。

7. 与 S15–S26 及量子理论的接口

7.1 与 S15–S17(Herglotz、de Branges、规范系统)的接口。

  • S15–S17 的 Herglotz 表示与规范系统为本文 §0 的核对角公式 提供解析结构。
  • S15–S17 的 Weyl–Titchmarsh -函数之边界值 与本文相位密度测度 完全一致。

7.2 与 S24–S26(框架、相位密度、采样)的接口。

  • S24 的纤维 Gram 表征与 Wexler–Raz 双正交为本文 §1.4 的离散测度与分离序列提供具体判据。
  • S26 的相位密度刻度 与本文 §0、§1、§2 的相位密度测度 在 de Branges 语境下完全对齐。
  • S26 的 Landau 必要密度条件与本文定理 4.1 在相位坐标下等价。

7.3 与 WSIG-QM / UMS 的接口。

  • WSIG-QM 的公理 A5(相位—密度—延迟刻度)与本文 §0 的核对角公式在散射语境下一致。
  • UMS 的核心统一式 与本文 §0、§2 的相位密度测度在 de Branges 空间语境下完全对齐。
  • 本文定理 2.1(迹恒等)可视为 UMS 窗化读数在局部化算子语境下的具体实现。

7.4 与 WSIG-QFT / 量子引力场的接口。

  • WSIG-QFT 的定理 5.2(窗化 BK 恒等式)与本文定理 2.1(迹恒等)在散射/规范系统等价下共享数学结构。
  • 量子引力场理论的相位密度刻度 与本文 §0 在散射谱模型下一致。

7.5 与窗口化路径积分理论的接口。

  • 路径积分理论的窗—核对偶可在能量域改写为本文 §2.2 的局部化算子
  • 路径积分理论的 Nyquist–Poisson–EM 误差闭合与本文定理 3.1 的三分解框架完全一致。

7.6 与 FMU 的接口。

  • FMU 的相位密度坐标 与本文 §0 的相位密度测度 在 Mellin 语境下等价。
  • FMU 的定理 4.1(Nyquist–Poisson–EM 三分解)对应本文定理 3.1。

7.7 保持“极点 = 主尺度“的有限阶 EM 纪律。

  • 本文在所有离散—连续换序中均采用有限阶 EM(定理 3.1),确保不引入新奇点。
  • 与 S15–S26、WSIG-QM、UMS、WSIG-QFT、路径积分理论、量子引力场、FMU 保持一致:EM 余项仅作有界扰动。

附录 A:若干标准判据与引用式

  • 核对角—相位导数
  • Berezin/Toeplitz 与迹
  • Ky Fan 最大化原理Lidskii 定理(迹类 迹 = 特征值可求和)。
  • Poisson 公式Nyquist–Shannon 采样EM 余项显式表达
  • Toeplitz Weyl 律(几何量化视角)。
  • Birman–Kreĭn/相移—谱移(散射接口)。
  • Ihara–Bass 行列式公式(离散图对照)。

参考文献(选)

  1. J. Antezana, J. Marzo, J.-F. Olsen, Zeros of Random Functions Generated with de Branges Kernels, IMRN (2016)(含 )。
  2. J. Marzo, S. Nitzan, J.-F. Olsen, Sampling and interpolation in de Branges spaces with doubling phase, arXiv:1103.0566。
  3. E. Fricain, A. Hartmann, W. T. Ross, A Survey on Reverse Carleson Measures, arXiv:1601.00226。
  4. G. R. Chacón, E. Fricain, M. Shabankhah, Carleson Measures and Reproducing Kernel Thesis in Dirichlet-type Spaces, arXiv:1009.1801;SPMJ (2013)。
  5. L. A. Coburn, Berezin Transform and Weyl-Type Unitary Invariants, J. Funct. Anal.(综述性介绍)。
  6. S. Axler, The Berezin Transform(讲义)。
  7. R. Paoletti, On the Weyl Law for Toeplitz Operators, arXiv:0806.0225。
  8. A. Strohmaier et al., The Birman-Kreĭn Formula for Differential Forms…, Adv. Math. (2022)。
  9. H. Zhang, The Birman–Kreĭn Formula and Scattering Phase on Product Space, arXiv:2509.06372 (2025)。
  10. DLMF §24(Euler–Maclaurin 及余项表达);维基条 Euler–Maclaurin Formula(补充)。
  11. L. N. Trefethen, J. A. C. Weideman, The Exponentially Convergent Trapezoidal Rule, SIAM Review (2014)。
  12. 维基条 Poisson Summation FormulaNyquist–Shannon Sampling Theorem
  13. Ihara–Bass 文献与综述(Deitmar;Rangarajan 等)。
  14. Ky Fan 原理、Lidskii 定理综述与讲义。

致谢与接口

本文以 的核对角—相位导数恒等式为计量基准,RKT 给出 Carleson/框架—采样/插值的可检判据;Toeplitz/Berezin 局部化把“符号 相位密度“几何量化为,并导出 Weyl-型谱分布;严格的有限阶 EM 纪律把数值误差非渐近地封装为“别名 + 伯努利层 + 截断“。在散射—完成函数—规范系统的统一接口下,这些结构可直接对接相移/谱移(Birman–Kreĭn)、以及离散图的 Ihara–Bass 计数。