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S29. 对数行列式的变分与 Hessian

—— de Branges–Mellin 局部化算子的符号/窗方向、凹性、稳定与 -极限

Version: 1.4

摘要(定性)

在 S27–S28 关于局部化算子与强型 Szegő–Widom 极限的基础上,本文系统建立

相对于符号 的变分理论:给出 Gateaux/Fréchet 一阶导数、二阶变分与凹性;在“带限+Nyquist+有限阶 Euler–Maclaurin (EM)“纪律下,证明 的扰动满足Lipschitz—强凸型稳定界(在适当软化下);并在尺度 的极限中,Hessian 的主导型收敛到相位坐标上的 能量。由此得到:(1)一阶灵敏度是“非线性局域密度“的积分;(2)二阶 Hessian 为一个正核上的负半定二次型( 对正算子凹),在极限中与 S28 的 二次项匹配;(3)在符号约束 、窗约束(带限/偶性/归一)下得到 KKT 必要条件并与 S22 的投影—卷积强式一致;(4)对 BN–Bregman 软化的“软目标“建立 -收敛,并证明梯度—Hessian 结构在极限下保持。


0. 设定与记号

0.1 de Branges 空间与相位—密度恒等式

取 Hermite–Biehler 函数 ,de Branges 空间 的再生核为 。沿实轴写

则存在标准恒等式

据此取基准测度

以上关系见 de Branges 专著。(math.purdue.edu)

0.2 局部化算子、窗与正则化行列式(Trace-class 设定

给定有界实符号 与偶窗 。本文固定假设

从而

正、迹类算子,且

在此设定下统一采用 Fredholm 行列式,记 。因此一阶/二阶变分均可直接使用

注. 若放宽至仅 Hilbert–Schmidt,需要将 改为 Carleman–Fredholm 的 并在一阶变分中加入补偿项 ;本文为避免额外的可加正则项,统一在迹类框架内工作。有关正则化行列式与迹理想的背景参见 Simon、Gohberg–Lesch 等文献。(sciencedirect.com)

0.3 “窗化投影核“与相位坐标

定义

其“系数核“为

时有 ;当 时,。在相位坐标 下,若 (局部一致)且满足带限+Nyquist 纪律,则 局部趋于 Paley–Wiener 投影核(sinc 核),见 Paley–Wiener 空间的 RKHS 表述与 Nyquist–Shannon 采样定理。(mathsci.kaist.ac.kr)


1. 一阶变分:局域密度与单调性

定义

上式中的 按 §0.2 的约定选取,其定义域为使 可逆的 集;以下变分公式均在该域内成立。

定理 1.1(符号方向 Gateaux 导数,

对任意有界 ,且 可逆时,

其中

证明. 利用 (在迹类/正则化设定下成立),取 即得。将迹写为核的积分得到第二式。关于 的微分公式可见 Simon 以及标准 Fredholm 行列式文献。(sciencedirect.com)

单调性(). a.e.,则 ,因为

定理 1.2(窗方向 Gateaux 导数,

对任意有界偶扰动 ,

证明同上,仅将 换为

注. 若附加点值/质量归一(如 ),则相应 Lagrange 乘子以-源或常数出现在线性泛函中(详见 §4)。


2. 二阶变分:凹性与核二次型

定理 2.1(二阶变分与凹性)

对任意方向 ,

特别地, 为凹泛函;对 同理。

证明. 再求导,并用 。将两侧乘子对称化可得

从而得凹性。凹性也可由 的算子凹性与迹的单调性推出。(ueltschi.org)

核型表达与“强度核“

记标准化核向量 ,并定义

这是一个由正核 诱导的非负二次型表达,清晰刻画了 Hessian 的“核强度“。


3. 的 Hessian 极限: 能量

3.1 带限+Nyquist+有限阶 EM 纪律

假设:

(i) 局部一致,且在相位坐标 上等价为对带宽 的带限截断;

(ii) Nyquist 采样(采样率至少为两倍带宽)使别名误差为零;

(iii) 求和—积分换序仅使用有限阶 Euler–Maclaurin (EM) 公式,余项用 Bernoulli 多项式与导数范数控制。(en.wikipedia.org)

在 Paley–Wiener 模型(相位坐标下的 sinc 核)中,这三条可直接验证。(mathsci.kaist.ac.kr)

定理 3.2(Hessian 的 极限)

,并记 。则对任意 (或合适的 域),

也即,Hessian 的极限二次型恰为相位坐标中 能量;其 Fourier 特征与 Gagliardo 形式等价。(arXiv)

证明大意.

由 §2 的核二次型表达, 等于正核

上的二次型。带限+Nyquist+有限阶 EM 三条使得在相位坐标中

均匀于紧致集上的卷积—核意义,且别名=0、EM 余项与窗尾衰减在 时可控。于是

后者正是 能量(Fourier 角色)。当 (Paley–Wiener)时,上式与强型 Szegő 极限中的二阶项( 的连续化)完全一致;一般 de Branges 情形靠相位坐标的局部等距伸缩实现。有关强型 Szegő–Widom 二阶项(对光滑正符号)之典范表述,可参见 Böttcher–Widom、Gray 及其后续综述;Fisher–Hartwig 情形见 Deift–Its–Krasovsky。(sciencedirect.com)

推论 3.3(与 S28 的二阶展开一致)

取为小参数的方向,并对 作二阶展开,可回收

与 S28 的强型 Szegő–Widom 二阶项一致。


4. 约束下的最优性:KKT 结构与对偶证书

考虑可行域

为例(),由于 分别凹,标准 Lagrange–KKT 条件适用(凸—凹规划的对偶可行性与互补松弛)。(epubs.siam.org)

定理 4.1(符号方向 KKT)

存在测度(或 元),使得最优解 满足

且互补松弛

其中 为 §1 的“非线性局域密度“。

定理 4.2(窗方向 KKT)

在可行子空间 上的最优 满足

等价地,右端是由带限投影、偶对称、以及 的对偶函数(分布)生成的闭凸锥之元素。该“对偶证书“形式与 S22 的投影—卷积强式一致。


5. 软化与 -极限:Bregman 正则与梯度结构保持

其中 为某 Bregman 型正则项(由强凸势产生), 收集可能的线性观测或惩罚。

定理 5.1(-极限与极小元收敛)

时,

且极小值与(相对弱*)极小元随之收敛;若 在极小元邻域 -强凸/平滑,则有稳定性

这是凸函数族的经典 -收敛与 Mosco 收敛框架的直接应用;其梯度流/次微分图的极限保持性可由 Attouch 定理与演化 -收敛理论推出。(archive.org)

注.(凸)加强凸的 Bregman 正则,可获得(局部)强凸性与条件数控制,便于数值优化。


6. 稳定性与非渐近误差

6.1 Lipschitz—梯度界

由一阶变分

以及同样的窗方向估计(把 换为 )。此处用到 与积分秩一表示的迹范数估计。

6.2 EM 三分解与别名—伯努利—尾项

对任意足够光滑 (如 ),谱/迹的数值近似可分解为

EM 层可用有限阶公式与 Bernoulli 多项式的余项显式控制;在带限+Nyquist 下 alias 项为零。(PagePlace)

6.3 Hessian 的非渐近下界与上界

由 §2 的 Hilbert–Schmidt 表达,

对窗方向亦同。若加入强凸 Bregman 正则,则可得到全空间上的强凸/强凹模量。


7. 例与模板

(i) Parseval 多窗

(局部一致)且对应帧算子为恒等,则

对二阶项,一般情形还有交叉项

仅当 两两正交(或 在该分解下块对角/可交换、或频带支集分离)时有 ,此时 Hessian(以及其极限)的能量才精确叠加

(ii) 低通—高通耦合

且支集分离,则一阶密度与二阶能量分离,加速分块优化与非平稳设计。

(iii) 近阈值区

局部变小(相位度量伸长)时, 能量对该区的扰动权重减弱,反映“信息稀薄—波动放大“的可检现象。


8. 失效边界与注意事项

  1. 无限阶 EM:把 EM 当无穷级展开会引入伪奇点并破坏二阶型可控性;本文仅用有限阶 EM(有严格余项)。(PagePlace)
  2. Fisher–Hartwig 奇性:当 不够平滑或触及分支,会出现 型边缘项;需用 RH 方法或 Krein 代数处理。(arXiv)
  3. 非带限/非偶窗:需要退回一般 RKHS 的压缩—Toeplitz 表述,并在 KKT 中加入相应对偶边界项。
  4. 非正:相位度量退化,本文刻度失效;需改用适当的谱坐标或排除该区域。

9. 证明细节与标准引理(选)

9.1 迹类与正则化行列式

,则 迹类,;当 但非迹类时使用 。(sciencedirect.com)

9.2 的微分与凹性

在迹理想拓扑可微,则

凹性亦可由 的算子凹性与 Lieb–Ando 类结果推出。(sciencedirect.com)

9.3 能量的 Fourier 与 Gagliardo 等价

,

的两种等价表述。(arXiv)

9.4 强型 Szegő–Widom 二阶项(平滑正符号)

Toeplitz/截断投影模型下,对 正符号

连续化即得到 §3 的 能量。参见 Böttcher–Widom 的“Jacobi 证明“、Gray 的综述与后续发展。(sciencedirect.com)


结语

本文建立了 的完整变分框架:

(i)一阶导数由“非线性局域密度“ 给出,体现了符号与窗的局域灵敏度;

(ii)二阶 Hessian 为正核上的负半定二次型,Hilbert–Schmidt 范表达提供了非渐近稳定估计;

(iii)在“带限+Nyquist+有限阶 EM“纪律下,Hessian 的尺度极限为相位坐标的 能量,与强型 Szegő–Widom 二阶项完全一致;

(iv)在符号/窗约束与归一条件下,KKT 结构给出了自然的对偶证书;

(v)对 Bregman 软化可建立 -收敛与极小元/梯度结构的保持,从而获得“可微—凹性—稳健“的统一基础。


参考线索(不需链接,给出出处方向)

  • de Branges:Hilbert Spaces of Entire Functions(相位—密度与核恒等式)。(math.purdue.edu)
  • 迹理想与(正则化)Fredholm 行列式、 微分:Simon;Gohberg–Lesch;Bornemann(数值与正则化)。(sciencedirect.com)
  • 的算子凹性、Lieb–Ando 类凹凸性与迹不等式:Carlen;Fawzi–Saunderson;综述讲义。(ueltschi.org)
  • Paley–Wiener sinc 核与 Nyquist–Shannon 定理。(mathsci.kaist.ac.kr)
  • Euler–Maclaurin 有界余项(有限阶)与误差估计:Olver;DLMF。(PagePlace)
  • 的 Fourier—Gagliardo 等价与“半阶能量“:Di Nezza–Palatucci–Valdinoci。(arXiv)
  • 强型 Szegő–Widom(平滑正符号二阶项、Fisher–Hartwig):Böttcher–Widom;Gray;Deift–Its–Krasovsky。(sciencedirect.com)
  • /Mosco 收敛与梯度流极限:Attouch;Braides;Mielke(演化 -收敛)。(archive.org)

(全文自洽,计算与换序仅叠加整/全纯层,不改变工作条带之奇性集合与极阶;与 S22、S28 的结构兼容。)