隨機矩陣理論

Wigner 矩陣(Wigner matrix)

/ Wigner = VIG-ner /

Wigner 矩陣是自然的一般隨機 Hermite 矩陣:對稱(或 Hermite),其元素在對稱約束之外為獨立同分布,但其元素分布在其他方面是任意的。高斯系綜要求元素為高斯,Wigner 矩陣則只要求獨立、均值為零、變異數有限。它是檢驗普適性的對象:即聲稱譜行為不在乎元素是高斯、Bernoulli 還是任何具有正確前兩階動差的其他分布。

具體地,取一個 N×N 的實對稱(或複 Hermite)矩陣 W_N。對角線上及其上方的元素是獨立的。非對角元素為均值 0、變異數 sigma^2 的獨立同分布(對角元素亦為獨立同分布,常可有不同的變異數而不影響極限)。為使譜有界須做歸一化:設 H_N = W_N / sqrt(N),使非對角元素的變異數為 sigma^2/N。在此歸一化下,典型特徵值是 O(1) 而非隨 N 增長,每列元素平方和為 O(1),而 H_N 的經驗譜分布收斂到 [-2 sigma, 2 sigma] 上的 Wigner 半圓律。允許任意元素分布(受動差條件約束)的要點在於:此收斂無論如何都成立,這是原型的普適性陳述。

Wigner 矩陣是本領域的主力,因為它既足夠一般以貼近現實,又足夠有結構以供分析。兩種互補的證明技巧適用於它:動差法,透過展開為對指標的閉合走道之和並計數哪些走道存活(非交叉配對)來計算 E[trace(H_N^k)] = E[sum lambda_i^k];以及 Stieltjes 變換/預解式法,研究 (H_N - z)^(-1) 並導出其極限的自洽方程。一個注意事項:「Wigner 矩陣」指對稱/Hermite 的獨立同分布模型。一個元素獨立同分布而未施加對稱的矩陣是不同的對象(其特徵值為複數且服從圓律而非半圓),而樣本共變異數矩陣依構造具有相關的元素——兩者皆需單獨研究。

把 W_N 的上三角填入獨立的 +1/-1 公平硬幣翻轉(Bernoulli,顯然非高斯),反射使其對稱,並除以 sqrt(N)。它的特徵值直方圖仍收斂到與高斯元素所得完全相同的 [-2, 2] 上的半圓。元素分布從答案中消失了——這就是最簡單形式的普適性。

不同的元素律,相同的半圓:Wigner 矩陣是普適性的具體化身。

sqrt(N) 歸一化並非裝飾:沒有它,典型特徵值會像 sqrt(N) 那樣增長且無極限律。而半圓極限需要非對角元素的變異數有限;重尾元素(變異數無窮)給出不同的、非半圓的極限。

又稱
Wigner ensemblesymmetric/Hermitian random matrix with iid entries維格納矩陣