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特征值住在哪里?盖尔什戈林、外尔、鲍尔-法伊克

压轴定理:用廉价的圆盘困住特征值、对称扰动的紧界、以及一个常数为特征向量条件数的一般界。

盖尔什戈林圆盘:免费定位

盖尔什戈林圆盘定理无需求解特征多项式即可定位每个特征值。对每一行 i,画一个以对角元 a_ii 为圆心、半径 R_i = sum |a_ij|(对 j != i,即非对角的绝对行和)的圆盘。每个特征值都落在这 n 个圆盘的并集中。

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.
三个不相交的盖尔什戈林圆盘分离出三个实特征值。

外尔定理:对称扰动是温和的

对对称(埃尔米特)矩阵,谱定理保证特征值为实数,且它们的移动不超过扰动本身。外尔定理说:若 A 与 A+E 对称且特征值已排序,则对每个 k,|lambda_k(A+E) - lambda_k(A)| <= ||E||_2。特征值的条件数恰为 1——完美良态。

其同伴是柯西交错定理:从对称 A 中删去一行及对应一列,得到较小矩阵 B,其特征值与 A 的交错,lambda_k(A) >= lambda_k(B) >= lambda_(k+1)(A)。同样的交错结构支配着奇异值扰动:|sigma_k(A+E) - sigma_k(A)| <= ||E||_2。

鲍尔-法伊克:非正规性的代价

一般(非对称)矩阵呢?鲍尔-法伊克定理可对角化的 A = V D V^-1 给出答案:A+E 的每个特征值 mu 满足 min(对 lambda(A))of |mu - lambda| <= kappa(V) * ||E||_2,其中 kappa(V) = ||V|| * ||V^-1|| 是特征向量矩阵的条件数