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)算子的迹恒等与Weyl 型谱分布(弱极限),把“符号 窗 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
令 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“。
以相位密度测度作为基准计量:
数值实现中,窗函数一律取偶、、,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,而与 、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 的上 Carleson 测度,若
称 为下 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)
记 ,。
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 则 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)。∎
注:在 为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). 若 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
设 在相位度量 下分离,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 与实值偶窗 ,定义
则 自伴。若 且 (a.e.)则 为正(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。
在 、 下,由 (2.2) 得对任意 , 故 ,从而 。
2.3 迹恒等
定理 2.1(迹恒等). 若 迹类,则
证明(修订). 当 时, 的迹为 1(此处 ),利用单调收敛与分解 得 。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
记 为特征值降序列。
命题 2.2(Ky Fan 上界——修订). 假设 。 记 ,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). 在 、 且 下成立。 设 ; 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 有 ,且 ,故 ,从而 ;由 且 为 Lipschitz,得 。则对任意满足 、 且 为 Lipschitz 的函数,
证明思路. 由 与 Lipschitz 得 ,故 且 (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). 若 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。
取 ,令 。则 其中 为周期化 Bernoulli 多项式( 为 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)
设 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). 若 为采样集(存在上/下框架常数),则
若 为插值集,则
证明要点. 以 、 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). 若 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“
则 ,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
- EM 仅取有限阶:无穷级外推会引入伪奇性与数值不稳定。
- 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。
- 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。
- 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 与 Lidskii 定理(迹类 迹 = 特征值可求和)。
- Poisson 公式、Nyquist–Shannon 采样 与 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)
- J. Antezana, J. Marzo, J.-F. Olsen, Zeros of Random Functions Generated with de Branges Kernels, IMRN (2016)(含 )。
- J. Marzo, S. Nitzan, J.-F. Olsen, Sampling and interpolation in de Branges spaces with doubling phase, arXiv:1103.0566。
- E. Fricain, A. Hartmann, W. T. Ross, A Survey on Reverse Carleson Measures, arXiv:1601.00226。
- G. R. Chacón, E. Fricain, M. Shabankhah, Carleson Measures and Reproducing Kernel Thesis in Dirichlet-type Spaces, arXiv:1009.1801;SPMJ (2013)。
- L. A. Coburn, Berezin Transform and Weyl-Type Unitary Invariants, J. Funct. Anal.(综述性介绍)。
- S. Axler, The Berezin Transform(讲义)。
- R. Paoletti, On the Weyl Law for Toeplitz Operators, arXiv:0806.0225。
- A. Strohmaier et al., The Birman-Kreĭn Formula for Differential Forms…, Adv. Math. (2022)。
- H. Zhang, The Birman–Kreĭn Formula and Scattering Phase on Product Space, arXiv:2509.06372 (2025)。
- DLMF §24(Euler–Maclaurin 及余项表达);维基条 Euler–Maclaurin Formula(补充)。
- L. N. Trefethen, J. A. C. Weideman, The Exponentially Convergent Trapezoidal Rule, SIAM Review (2014)。
- 维基条 Poisson Summation Formula、Nyquist–Shannon Sampling Theorem。
- Ihara–Bass 文献与综述(Deitmar;Rangarajan 等)。
- 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 窗 相位密度“几何量化为迹,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。