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特徵值住在哪裡?蓋爾什戈林、外爾、鮑爾-法伊克

壓軸定理:用廉價的圓盤困住特徵值、對稱擾動的緊界、以及一個常數為特徵向量條件數的一般界。

蓋爾什戈林圓盤:免費定位

蓋爾什戈林圓盤定理無需求解特徵多項式即可定位每個特徵值。對每一列 i,畫一個以對角元 a_ii 為圓心、半徑 R_i = sum |a_ij|(對 j != i,即非對角的絕對列和)的圓盤。每個特徵值都落在這 n 個圓盤的聯集中。

A = [ 5.0,  0.3, -0.2;
      0.1,  8.0,  0.4;
     -0.2,  0.1,  1.0 ]

Disc 1: center 5.0, radius |0.3|+|-0.2| = 0.5  ->  [4.5, 5.5]
Disc 2: center 8.0, radius |0.1|+|0.4|  = 0.5  ->  [7.5, 8.5]
Disc 3: center 1.0, radius |-0.2|+|0.1| = 0.3  ->  [0.7, 1.3]

The discs are disjoint, so each holds exactly ONE eigenvalue.
Conclusion before any factorization: lambda's are near 5, 8, 1.
三個不相交的蓋爾什戈林圓盤分離出三個實特徵值。

外爾定理:對稱擾動是溫和的

對對稱(埃爾米特)矩陣,譜定理保證特徵值為實數,且它們的移動不超過擾動本身。外爾定理說:若 A 與 A+E 對稱且特徵值已排序,則對每個 k,|lambda_k(A+E) - lambda_k(A)| <= ||E||_2。特徵值的條件數恰為 1——完美良態。

其同伴是柯西交錯定理:從對稱 A 中刪去一列及對應一欄,得到較小矩陣 B,其特徵值與 A 的交錯,lambda_k(A) >= lambda_k(B) >= lambda_(k+1)(A)。同樣的交錯結構支配著奇異值擾動:|sigma_k(A+E) - sigma_k(A)| <= ||E||_2。

鮑爾-法伊克:非正規性的代價

一般(非對稱)矩陣呢?鮑爾-法伊克定理可對角化的 A = V D V^-1 給出答案:A+E 的每個特徵值 mu 滿足 min(對 lambda(A))of |mu - lambda| <= kappa(V) * ||E||_2,其中 kappa(V) = ||V|| * ||V^-1|| 是特徵向量矩陣的條件數