W matematyce nierówność Grothendiecka stwierdza
,
o
że
istnieje stała uniwersalna następującej właściwości. Jeśli M ij jest macierzą n × n ( rzeczywistą lub zespoloną ) z
|
∑
ja , jot
M
ja jot
s
ja
t
jot
|
≤ 1
{\ Displaystyle {\ duży |} \ suma _ {i, j} M_ {ij} s_ {i} t_ {j} {\ duży |} \ równoważnik 1}
więc dla wszystkich (rzeczywistych lub zespolonych) liczb s i t j o wartości bezwzględnej co najwyżej 1
|
∑
ja , jot
M
ja jot
⟨
Si
ja
,
T
jot
⟩
|
≤
K.
sol
{\ Displaystyle {\ duży |} \ suma _ {i, j} M_ {ij} \ langle S_ {i}, T_ {j} \ rangle {\ duży |} \ równoważnik K_ {G}}
dla
przestrzeni
Hilberta
wszystkich wektorów S ja , T j w kuli jednostkowej B ( H ) (rzeczywistej lub zespolonej) H , stała jest niezależna od n . Dla ustalonej przestrzeni Hilberta o wymiarze d , najmniejsza stała spełniająca tę właściwość dla wszystkich macierzy n × n nazywana jest stałą Grothendiecka i oznaczana
K
G
( re )
{\ Displaystyle K_ {G} (d)}
. W rzeczywistości istnieją dwie stałe Grothendiecka,
K
sol R
(
re ) {
\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} (d)}
i
K
sol
do
( re )
{\ Displaystyle K_ {G} ^ { \mathbb {C} }(d)}
, w zależności od tego, czy pracuje się odpowiednio z liczbami rzeczywistymi, czy zespolonymi.
Nierówność Grothendiecka i stałe Grothendiecka zostały nazwane na cześć Aleksandra Grothendiecka , który udowodnił istnienie stałych w artykule opublikowanym w 1953 roku.
Motywacja i sformułowanie operatorowe
Niech
A = (
za
ja jot
)
ij}}}
{ \ Displaystyle A = (
a_
macierzą .
{ będzie Następnie
ZA
{\ Displaystyle A}
definiuje operator liniowy między przestrzeniami znormalizowanymi
(
R
m
, ‖ ⋅
‖
p
)
{\ Displaystyle (\ mathbb {R} ^ {m}, \|\ cdot \|_ {p})}
i
(
R
n
, ‖ ⋅
‖
q
)
{\ Displaystyle (\ mathbb {R} ^ {n}, \ | \ cdot \|_ {q})}
dla
1 ≤ p , q ≤ ∞
{\ Displaystyle 1 \ równoważnik p, q \ równoważnik \ infty}
.
( p → q )
{\ Displaystyle (p \ do q)}
A
-normą
}
ZA { \ Displaystyle jest ilość
‖ ZA
‖
p → q
=
maks
x ∈
R
n
: ‖ x
‖
p
= 1
‖ ZA x
‖
q
.
{\ Displaystyle \| A \ | _ {p \ do q} = \ max _ {x \ w \ mathbb {R} ^ {n}: \ | x \ | _ {p} = 1} \| Ax \ | _{Q}.}
Jeśli
p = q
{\ displaystyle p = q}
, oznaczamy normę przez
‖ ZA
‖
p
{\ Displaystyle \|A \|_ {p}}
.
Można
pytanie : dla
jakiej
?
_
q
rozważyć
następujące
wartości
zmaksymalizowane
i jest _ Ponieważ
jest
\
liniowy, wystarczy rozważyć takie, że
p {
displaystyle p}
{ x ∈
R
n
: ‖ x
‖
p
≤ 1 }
{\ Displaystyle \ {x \ in \ mathbb {R} ^ {n}: \ | x \ | _ {p} \ równoważnik 1 \}} zawiera jak najwięcej punktów, a także takie, że q {
\ displaystyle
q
}
‖
, jak
jest
tak duży
to
możliwe. Porównując
‖ x
‖
p
{\ Displaystyle \|x \|_ {p}}
dla
p = 1 , 2 , … , ∞
{\ Displaystyle p = 1,2, \ ldots, \ infty}
, widać, że
‖ ZA
‖
∞
→ 1
≥ ‖ ZA
‖
p → q
{\ Displaystyle \|A \|_ {\ infty \ do 1} \ geq \|A \|_ {p \ do q}}
dla wszystkich
1 ≤ p , q ≤ ∞
{ \ Displaystyle 1 \ równoważnik p, q \ równoważnik \ infty}
.
całkowitoliczbowego Jednym
:
ze sposobów
jest
_
obliczania rozwiązanie następującego programu
max
∑
ja , j
ZA
ja j
x
ja
y
j
st.
( x , y ) ∈ { - 1 , 1
}
m + n
{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ max & \ qquad \ suma _ {i, j} A_ {ij} x_ {i} y_ {j} \ \{\text{st}}&\qquad (x,y)\in \{-1,1\}^{m+n}\end{wyrównane}}}
Aby to zobaczyć, zauważ, że
∑
ja , jot
ja jot
ZA
x ja
Displaystyle \ suma _ {i, j} A_ {ij
y
}
jot
=
∑
ja
( ZA y
)
ja
x
ja {\
x_ {i} y_ {j} =\ suma _ {i} (Ay) _ {i} x_ {i}}
i biorąc maksimum ponad
x ∈ { - 1 , 1
}
m
}}
{\ Displaystyle x \ in \ {- 1,1 \} ^ { daje
‖ Ay ‖
m
1
{\ Displaystyle \| Tak \ | _ {1}}
. Następnie biorąc maksimum ponad
y ∈ { - 1 , 1
}
n
{\ Displaystyle y \ w \ {-1,1 \} ^ {n}}
daje
‖ ZA
‖
∞ → 1
{\ Displaystyle \|A \|_ { \ infty \ do 1}}
przez wypukłość
{ x ∈
R
m
: ‖ x
‖
∞
= 1 }
{\ Displaystyle \ {x \ in \ mathbb {R} ^ {m}: \ | x \ | _ {\ infty }=1\}}
i przez nierówność trójkąta. Ten kwadratowy program liczb całkowitych można złagodzić do następującego programu półokreślonego :
max
∑
ja , j
ZA
i j
⟨
x
( ja )
,
y
( j )
⟩
st
x
( 1 )
, … ,
x
( m )
,
y
( 1 )
, … ,
y
( n )
są wektorami jednostkowymi w
(
R
d
, ‖ ⋅
‖
2
)
{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ max & \ qquad \ suma _ {i, j} A_ {ij} \ langle x ^ {(i)}, y ^ {(j)} \ rangle \\ { \text{st}}&\qquad x^{(1)},\ldots,x^{(m)},y^{(1)},\ldots,y^{(n)}{\text{ są wektorami jednostkowymi w }}(\mathbb {R} ^{d},\|\cdot \|_{2})\end{aligned}}}
Wiadomo, że dokładnie ‖ ZA
‖
q { \
p →
Displaystyle \|A \|_ {p \ do q}}
dla
1 ≤ q < p ≤ ∞
{\ Displaystyle 1 \ równoważnik q <p \ równoważnik \ infty}
jest NP-trudne podczas gdy
,
są
,
∞
NP
- trudne dla
p ∉ { 1
wymagające obliczenia
2
,
}
{\ Displaystyle p \ nie \ w \ {1,2, \ infty \}}
.
Można zatem zadać następujące naturalne pytanie: Jak dobrze przybliżone jest optymalne rozwiązanie programu półokreślonego ‖
ZA ‖
∞
→ 1 {
\ Displaystyle \|A \|_ {\ infty \ do 1}}
? Nierówność Grothendiecka dostarcza odpowiedzi na
m , n ≥
to pytanie
m, n \ geq
:
1 }
{\ displaystyle m \ razy n}
istnieje stała stała
1 {\
taka
0
displaystyle
, że dla dowolnego macierz i dla dowolnej przestrzeni Hilberta H.
{
}
\ displaystyle
H
max
x
( ja )
,
y
( ja )
∈ H
wektory jednostkowe
∞
∑
→ 1
ja
, jot ZA
ja
jot ⟨
x
(
ja ) ,
y
(
jot ) ⟩
H
≤
do ‖ ZA ‖ .
{\ Displaystyle \ max _ {x ^ {(i)}, y ^ {(i)} \ w H {\ tekst {wektory jednostkowe}}} \ suma _ {i, j} A_ {ij} \ lewo \ langle x^{(i)},y^{(j)}\right\rangle _{H}\równoważnik C\|A\|_{\infty \to 1}.}
Granice na stałych
Sekwencje
K
sol R
(
re ) {
\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} (d)}
i
K
sol
do
( re )
{\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {C}} ( d)}
łatwo zauważyć, że rosną, a wynik Grothendiecka stwierdza, że są one ograniczone , więc mają granice .
Grothendieck udowodnił, że
1,57 ≈
π 2
≤
K
sol
R
≤ sinh
π 2
≈ 2,3 ,
{\ Displaystyle 1,57 \ około {\ Frac {\ pi} {2}} \ równoważnik K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} \ leq \ nazwa operatora {sinh} {\ Frac {\ pi} {2}} \ około 2,3,}
gdzie
K
sol
R
{\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {R}}}
jest zdefiniowany jako
sup
d
K
sol
R
( re )
{\ Displaystyle \ sup _ {d} K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} (d)}
.
Krivine (1979) poprawił wynik, udowadniając, że
K
sol
R
≤
π
2 ln ( 1 +
2
)
≈ 1,7822
{\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} \ równoważnik {\ Frac {\ pi}} 2\ln(1+{\sqrt {2}})}}\około 1,7822}
, przypuszczając, że górna granica jest wąska. Jednak to przypuszczenie zostało obalone przez Bravermana i in. (2011) .
Stała rzędu Grothendiecka d
Boris Tsirelson wykazał
odgrywają
rolę
korelacji
dowolnej
nielokalności kwantowej
,
że stałe Grothendiecka istotną w problemie : granica Tsirelsona pełnej dwudzielna nierówność Bella dla układu kwantowego o wymiarze d jest ograniczona w górę przez
K
sol
R
( 2
re
2
)
{\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} (2d ^ {2})}
.
Dolne granice
dolnych
granic
W poniższej
tabeli
niektóre dane historyczne
.
podsumowano dotyczące najlepiej znanych
D
Grothendieck, 1953
Krzywin, 1979
Dawid, 1984
Fishburn i in., 1994
Vertesi, 2008
Briët i in., 2011
Hua i in., 2015
Diviánszky i in., 2017
Designolle i in., 2023
2
2
{\ Displaystyle {\ sqrt {2}}}
≈ 1,41421
3
1.41724
1.41758
1.4359
1.4376
4
1.44521
1.44566
1.4841
5
10 7
{\ Displaystyle {\ Frac {10} {7}}}
≈ 1,42857
1.46007
1.46112
6
1.47017
7
1.46286
1.47583
8
1.47586
1,47972
9
1.48608
∞
π 2
{\ Displaystyle {\ Frac {\ pi} {2}}}
≈ 1,57079
1,67696
Górne granice
Niektóre dane historyczne dotyczące najlepiej znanych górnych granic
K
sol
}
( re )
{\ Displaystyle K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} (d)
:
D
Grothendieck, 1953
Rietz, 1974
Krzywin, 1979
Braverman i in., 2011
Hirsch i in., 2016
Designolle i in., 2023
2
2
{\ Displaystyle {\ sqrt {2}}}
≈ 1,41421
3
1,5163
1.4644
1.4546
4
π 2
{\ Displaystyle {\ Frac {\ pi} {2}}}
≈ 1,5708
8
1.6641
∞
sinh
π 2
{\ Displaystyle \ nazwa operatora {sinh} {\ Frac {\ pi} {2}}}
≈ 2,30130
2.261
π
2 ln ( 1 +
2
)
{\ Displaystyle {\ Frac {\ pi} {2 \ ln (1 + {\ sqrt {2}})}}}
≈ 1,78221
π
2 ln ( 1 +
2
)
- ε
{\ Displaystyle {\ Frac {\ pi} {2 \ ln (1 + {\ sqrt {2}})}} - \ varepsilon}
Aplikacje
Oszacowanie normy cięcia
Za
m × n
{\ Displaystyle m \ razy n}
macierz rzeczywista
ZA = (
za
ja jot
)
{\ Displaystyle A = (a_ {ij})}
, norma cięcia z jest definiowana przez
ZA
{\ Displaystyle A}
‖ ZA
‖
◻
=
max
S ⊂ [ m ] , T ⊂ [ n ]
|
∑
ja ∈ S , jot ∈ T
za
ja jot
|
.
{\ Displaystyle \|A \|_ {\ kwadrat} = \ max _ {S \ podzbiór [m], T \ podzbiór [n]} \ lewo | \ suma _ {i \ w S, j \ w T} a_ {ij}\prawo|.}
Pojęcie normy cięcia jest niezbędne przy projektowaniu wydajnych algorytmów aproksymacji gęstych grafów i macierzy. Mówiąc bardziej ogólnie, definicję normy cięcia można uogólnić dla symetrycznych mierzalnych funkcji
0
W : [ , 1
]
2
→
R
{\ Displaystyle W: [0,1] ^ {2} \ do \ mathbb {R}},
tak że cięcie norma jest zdefiniowana przez W
{
\ displaystyle W}
‖ W
‖
◻
=
sup
0
S , T ⊂ [ , 1 ]
|
∫
S × T
W
|
.
{\ Displaystyle \|W \|_ {\ kwadrat} = \ sup _ {S, T \ podzbiór [0,1]} \ lewo | \ int _ {S \ razy T} W \ prawo |.}
Ta uogólniona definicja normy cięcia jest kluczowa w badaniu przestrzeni grafonów , a te dwie definicje normy cięcia można połączyć za pomocą macierzy sąsiedztwa grafu .
Zastosowanie nierówności Grothendiecka polega na podaniu wydajnego algorytmu aproksymacji normy cięcia danej rzeczywistej macierzy
ZA
{\ displaystyle A}
; konkretnie, biorąc pod uwagę
× n {
rzeczywistą macierz
, można znaleźć taką liczbę,
że
\ displaystyle \ alpha}
m
‖ ZA
‖
◻
≤ α ≤ do ‖ ZA
‖
◻
,
{\ Displaystyle \|A \|_ {\ kwadrat} \ równoważnik \ alfa \ równoważnik C \ | A \ | _ {\ kwadrat},}
gdzie jest
stałą
bezwzględną
. Ten algorytm aproksymacji wykorzystuje programowanie półokreślone .
Podajemy szkic tego algorytmu aproksymacji. Niech
b = (
b
ja jot
)
{\ Displaystyle B = (b_ {ij})}
być
( m + 1 ) × ( n + 1 )
{\ Displaystyle (m + 1) \ razy (n + 1)}
zdefiniowana macierz przez
(
za
11
za
12
…
za
1 n
−
∑
k = 1
n
za
1 k
za
21
za
22
…
za
2 n
−
∑
k = 1
n
za
2 k
⋮
⋮
⋱
⋮
⋮
za
m 1
za
m 2
…
za
m n
−
∑k
_
= 1
n
za
m k
-
∑
ℓ = 1
m
za
ℓ 1
-
∑
ℓ = 1
m
za
ℓ 2
…
-
∑
ℓ = 1
m
za
ℓ n
∑
k = 1
n
∑
ℓ = 1
m
za
ℓ k
)
.
{\ Displaystyle {\ rozpocząć {pmatrix} a_ {11}& a_ {12} & \ ldots & a_ {1n} & - \ suma _ {k = 1} ^ {n} a_ {1k} \\ a_ {21} i a_ { 22}&\ldots &a_{2n}&-\sum _{k=1}^{n}a_{2k}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\vdots \\a_{m1}&a_ {m2}&\ldots &a_{mn}&-\suma _{k=1}^{n}a_{mk}\\-\suma _{\ell =1}^{m}a_{\ell 1} &-\sum _{\ell =1}^{m}a_{\ell 2}&\ldots &-\sum _{\ell =1}^{m}a_{\ell n}&\sum _{ k=1}^{n}\suma _{\ell =1}^{m}a_{\ell k}\end{pmacierz}}.}
Można
,
to
,
_ _ _ _ _ T ∈ [ n + 1 ]
{\ Displaystyle S \ w [m + 1], T \ w [n + 1]}
czy
sprawdzić
S
∈ [ m
+
1
]
_
obserwując tworzą maksymalizator dla normy cięcia
B
{\ Displaystyle B}
, a następnie
S
∗
=
{
S ,
gdyby
m + 1 ∉ S ,
[ m ]
∖ S ,
inaczej
,
T
∗
=
{
T ,
gdyby
n + 1 ∉ T ,
[ n ]
∖ S ,
inaczej
,
{\ Displaystyle S ^ {*} = {\ rozpocząć {przypadki} S, & {\ tekst {jeśli}} m + 1 \ nie \ w S, \\ {[m]} \ setminus S, & {\ tekst { inaczej}},\end{przypadków}}\qquad T^{*}={\begin{przypadków}T,&{\text{if }}n+1\not \in T,\\{[n]} \setminus S,&{\text{inaczej}},\end{przypadki}}\qquad }
tworzą maksymalizator dla normy cięcia
ZA
{\ displaystyle A}
. Następnie można sprawdzić, że
‖ b
‖
◻
= ‖ b
‖
∞ → 1
/
4
{\ Displaystyle \|B \|_ {\ kwadrat} = \| B \|_ {\ infty \ do 1}/4
} Gdzie
‖ b
‖
∞ → 1
= max
{
∑
ja = 1
m + 1
∑
jot = 1
n + 1
b
ja jot
1
ε
∈
ja
δ
jot
:
ε
1
, … ,
ε
m + 1
{ - 1 , 1 } , δ , … ,
δ
n + 1
∈ { - 1 , 1 }
}
.
{\ Displaystyle \|B \|_ {\ infty \ do 1} = \ max \ lewo \ {\ suma _ {i = 1} ^ {m + 1} \ suma _ {j = 1} ^ {n + 1 }b_{ij}\varepsilon _{i}\delta _{j}:\varepsilon _{1},\ldots,\varepsilon _{m+1}\in \{-1,1\},\delta _ {1},\ldots ,\delta _{n+1}\in \{-1,1\}\right\}.}
Chociaż nie jest to ważne w tym dowodzie, można interpretować jako normę
‖ b
‖
∞ → 1 {\
1}}
Displaystyle \|
B \|_ {\ infty \
do od
ℓ
∞
m
{\ Displaystyle \ ell _ {\ infty} ^ {m}}
do
ℓ
1
m
{\ Displaystyle \ ell _ {1} ^ {m}}
.
Teraz wystarczy zaprojektować wydajny algorytm aproksymacji
‖ ZA
‖
∞ → 1
{\ Displaystyle \|A \|_ {\ infty \ do 1}
} Rozważamy następujący program półokreślony :
SDP
( ZA ) = max
{
∑
ja = 1
m
∑
jot = 1
n
za
ja jot
⟨
x
ja
,
y
jot
⟩
:
x
1
, … ,
x
m
,
y
1
, … ,
y
n
∈
S
n + m - 1
}
.
{\ Displaystyle {\ tekst {SDP}} (A) = \ max \ lewo \ {\ suma _ {i = 1} ^ {m} \ suma _ {j = 1} ^ {n} a_ {ij} \ lewo \langle x_{i},y_{j}\right\rangle :x_{1},\ldots,x_{m},y_{1},\ldots,y_{n}\in S^{n+m- 1}\prawo\}.}
Następnie
SDP
( ZA ) ≥ ‖ ZA
‖
∞ → 1
{\ Displaystyle {\ tekst {SDP}} (A) \ geq \|A \|_ {\ infty \ do 1}}
. Nierówność Grothediecka oznacza, że
SDP
( ZA ) ≤
K
sol R
‖
ZA ‖
∞
→ 1 {
\ Displaystyle {\ tekst {SDP}} (A) \ równoważnik K_ {G} ^ {\ mathbb {R}} \ | A \ |_{\infty \do 1}}
. Wiele algorytmów (takich jak metody punktów wewnętrznych , metody pierwszego rzędu, metoda wiązek, metoda rozszerzona metoda Lagrange'a ) są znane z wyprowadzania wartości półokreślonego programu aż do błędu addytywnego
w
czasie,
który jest wielomianem w opisie programu rozmiar i
log ( 1
/
ε )
{\ Displaystyle \ log ( 1/\varepsilon )}
. Dlatego można wyprowadzić, co spełnia
α =
SDP
( b )
{\ Displaystyle \ alpha = {\ tekst {SDP}} (B)}
‖ ZA
‖
◻
≤ α ≤ do ‖ ZA
‖
◻
z
do
=
K
sol.
R
.
{\ Displaystyle \|A \|_ {\ kwadrat} \ równoważnik \ alfa \ równoważnik C \|A \|_ {\ kwadrat} \ qquad {\ tekst {z}} \ qquad C = K_ {G} ^ {\ matematykabb {R} }.}
Lemat Szemerédiego o regularności
Lemat Szemerédiego o regularności jest użytecznym narzędziem w teorii grafów, stwierdzając (nieformalnie), że dowolny wykres można podzielić na kontrolowaną liczbę elementów, które oddziałują na siebie w pseudolosowy sposób . Innym zastosowaniem nierówności Grothendiecka jest utworzenie podziału zbioru wierzchołków, który spełnia wniosek lematu Szemerédiego o regularności , za pomocą algorytmu estymacji normy cięcia, w czasie, który jest wielomianem w górnej granicy regularnego rozmiaru podziału Szemerédiego, ale niezależny od liczby wierzchołków w grafie.
„
} \ displaystyle \ varepsilon }
-regularny wąskim gardłem” konstruowania regularnego podziału Szemerediego w czasie wielomianowym jest określenie w czasie wielomianowym, czy dana para jest bliska bycia
( X , Y )
{\ Displaystyle (X, Y)
, co oznacza, że dla wszystkich
S ⊂ X , T ⊂ Y
{\ Displaystyle S \ podzbiór X, T \ podzbiór Y}
z
|
S
|
≥ ε
|
X
|
,
|
T
|
≥ ε
|
Y
|
{\ Displaystyle | S | \ geq \ varepsilon | X |, | T | \ geq \ varepsilon | Y |}
mamy
|
mi ( S , T )
|
S
|
|
T
|
−
mi ( X , Y )
|
X
|
|
Y
|
|
≤ ε ,
{\ Displaystyle \ lewo | {\ Frac {e (S, T)}} {| S || T |}} - {\ Frac {e (X, Y)} {| X|| Y|}} \right|\leq \varepsilon ,}
gdzie
mi (
X ′
,
Y ′
) =
|
{ ( u , v ) ∈
X ′
×
Y ′
: u v ∈ mi }
|
{\ Displaystyle e (X', Y') = |\ {(u, v) \ w X'\ razy Y': uv \ w E \} |} dla wszystkich X ′
,
Y ′
⊂
V {
\ Displaystyle
X ',Y'\podzbiór V}
i
V ,
mi
{\ Displaystyle V, E}
to odpowiednio zestawy wierzchołków i krawędzi wykresu. W tym celu konstruujemy
x
{
∈
macierz
ZA = (
za
A = (a_
y
)
( x , y )
xy }) _
X × Y {\ Displaystyle
(x ,y)\in X\times Y}}
{ , gdzie
n =
|
V
|
{\ displaystyle n = | V|}
, zdefiniowany przez
za
x y
=
{
1 -
mi ( X , Y )
|
X
|
|
Y
|
,
jeśli
x y ∈ mi ,
-
mi ( X , Y )
|
X
|
|
Y
|
,
inaczej
.
{\ Displaystyle a_ {xy} = {\ rozpocząć {przypadki} 1 - {\ Frac {e (X, Y)}} {| X | | Y|}}, & {\ tekst {jeśli}} xy \ w E, \\-{\frac {e(X,Y)}{|X||Y|}},&{\text{inaczej}}.\end{przypadki}}}
Następnie dla wszystkich
S ⊂ X , T ⊂ Y
{\ Displaystyle S \ podzbiór X, T \ podzbiór Y}
,
|
∑
x ∈ S , y ∈ T
za
x y
|
=
|
S
|
|
T
|
|
mi ( S , T )
|
S
|
|
T
|
−
mi ( X , Y )
|
X
|
|
Y
|
|
.
{\ Displaystyle \ lewo | \ suma _ {x \ w S, y \ w T} a_ {xy} \ prawo | = | S | | T | \ lewo | {\ Frac {e (S, T)}} {| S||T|}}-{\frac {e(X,Y)}{|X||Y|}}\prawo|.}
Stąd, jeśli nie jest
‖ ZA
‖
◻
regularny
3
_
n
\
kwadrat }\geq \varepsilon ^{3}n^{2}}
, to
≥
\ |
ε
|
2 {\
{
Displaystyle \
A . Wynika z tego, że stosując algorytm aproksymacji normy cięcia wraz z techniką zaokrąglania, można znaleźć w czasie wielomianowym
S ⊂ X , T ⊂ Y
{\ Displaystyle S \ podzbiór X, T \ podzbiór Y}
takie że
min
{
n
|
S
|
, n
|
T
|
,
n
2
|
mi ( S , T )
|
S
|
|
T
|
−
mi ( X , Y )
|
X
|
|
Y
|
|
}
≥
|
∑
x ∈ S , y ∈ T
za
x y
|
≥
1
K
G
R
ε
3
n
2
≥
1 2
ε
3
n
2
.
{\ Displaystyle \ min \ lewo \ {n | S |, n | T |, n ^ {2} \ lewo | {\ Frac {e (S, T)}} {| S|| T|}} - {\ frac {e(X,Y)}{|X||Y|}}\right|\right\}\geq \left|\sum _{x\in S,y\in T}a_{xy}\right |\geq {\frac {1}{K_{G}^{\mathbb {R}}}}\varepsilon ^{3}n^{2}\geq {\frac {1}{2}}\varepsilon ^ {3}n^{2}.}
Następnie algorytm tworzenia regularnego podziału Szemerédiego wynika z konstruktywnego argumentu Alona i in.
Warianty nierówności Grothendiecka
Nierówność Grothendiecka wykresu
Grothendiecka na wykresie stwierdza, że dla każdego
i
\
{
sol
dla każdego wykresu
= ( { 1 , … , n } , mi ) {
1, \ ldots, n \}, E)}
Displaystyle G = (\
bez
× n {\
n \ razy n}
pętli własnych, istnieje uniwersalna stała
n
taka
0
displaystyle
, że każda macierz
A jest
= (
za
ja jot
)
{\ Displaystyle A = (a_ {ij})}
spełnia to
max
x
1
, … ,
x
n
∈
S
n - 1
∑
ja jot ∈ mi
za
ja jot
⟨
x
ja
,
x
jot
⟩
≤ K
max
ε
1
, … ,
ε
n
∈ { - 1 , 1 }
∑
ja jot ∈ mi
a
ja j
ε
1
ε
n
.
{\ Displaystyle \ max _ {x_ {1}, \ ldots, x_ {n} \ w S ^ {n-1}} \ suma _ {ij \ w E} a_ {ij} \ lewo \ langle x_ {i} ,x_{j}\right\rangle \leq K\max _{\varepsilon _{1},\ldots,\varepsilon _{n}\in \{-1,1\}}\sum _{ij\in E}a_{ij}\varepsilon_{1}\varepsilon_{n}.}
Stała
Grothendiecka
na
wykresie , oznaczona
, jest
zdefiniowana jako
która
.
najmniejsza stała
właściwość
,
spełnia powyższą
Nierówność Grothendiecka wykresu jest rozszerzeniem nierówności Grothendiecka, ponieważ pierwsza nierówność jest szczególnym przypadkiem drugiej nierówności, gdy jest
displaystyle G
wykresem dwudzielnym z dwiema
\
displaystyle G} \{1,\ldots ,n\}}
kopiami { \
}
{
jako klasy podziału na partycje. Zatem,
K
G
=
sup
n ∈
N
{ K ( G ) : G
jest
n
-wierzchołkowym grafem dwudzielnym
} .
{\ Displaystyle K_ {G} = \ sup _ {n \ w \ mathbb {N}} \ {K (G): G {\ tekst {jest }} n {\ tekst {- wierzchołkowy wykres dwudzielny}} \} .}
Dla
, pełnego wykresu
}
}
=
wierzchołków, nierówność Grothendiecka staje się sol = K
n { \
Displaystyle
G
K_ {
n
max
x
1
, … ,
x
n
∈
S
n - 1
∑
ja , jot ∈ { 1 , … , n } , ja ≠ jot
jot
1
⟨
maks
x
ja
,
x
jot
⟩
≤ K (
K
n
)
ε
za
ja
, … ,
ε
rz
∈ { - 1 , 1 }
∑
ja , jot ∈ { 1 , … , n } , ja ≠ jot
jot
za
ja
jot
ε ja
.
ε
{\ Displaystyle \ max _ {x_ {1}, \ ldots, x_ {n} \ w S ^ {n-1}} \ suma _ {i, j \ w \ {1, \ ldots, n \}, ja \neq j}a_{ij}\left\langle x_{i},x_{j}\right\rangle \leq K(K_{n})\max _{\varepsilon _{1},\ldots ,\varepsilon _{n}\in \{-1,1\}}\sum _{i,j\in \{1,\ldots,n\},i\neq j}a_{ij}\varepsilon _{i} \varepsilon _{j}.}
Okazuje się, że
K (
K
n
) ≍ log n
{\ Displaystyle K (K_ {n}) \ asymp \ log n}
. Z jednej strony mamy
K. (
K.
n
) ≲ log n
{\ Displaystyle K (K_ {n}) \ lesssim \ log n}
. Rzeczywiście, następująca nierówność jest prawdziwa dla dowolnej
( za ja
jot
macierzy
)
\
Displaystyle A = (a_ {ij}
ZA =
}
{
) , co oznacza, że
K. (
K.
n
) ≲ log n
{\ Displaystyle K (K_ {n}) \ lesssim \ log n}
przez nierówność Cauchy'ego-Schwarza :
max
x
1
, … ,
x
n
∈
S
n - 1
∑
ja , jot ∈ { 1 , … , n } , ja ≠ jot
ja
jot ⟨
,
x
ja
,
x
jot
⟩
≤ log
(
∑
ja ∈ { 1
za
… , n }
∑
jot ∈ { 1 , … , n } ∖ { ja }
|
a
i j
|
∑
ja ∈ { 1 , … , n }
∑
jot ∈ { 1 , … , n } ∖ { ja }
za
ja jot
2
)
maks
ε
1
, …
,
ε
n
∈ { - 1 , 1 }
∑
ja , jot ∈ { 1 , … , n } , ja ≠ jot
za
ja jot
ε
1
ε
n
.
{\ Displaystyle \ max _ {x_ {1}, \ ldots, x_ {n} \ w S ^ {n-1}} \ suma _ {i, j \ w \ {1, \ ldots, n \}, ja \neq j}a_{ij}\left\langle x_{i},x_{j}\right\rangle \leq \log \left({\frac {\sum _{i\in \{1,\ldots , n\}}\sum _{j\in \{1,\ldots ,n\}\setminus \{i\}}|a_{ij}|}{\sqrt {\suma _{i\in \{1 ,\ldots ,n\}}\sum _{j\in \{1,\ldots ,n\}\setminus \{i\}}a_{ij}^{2}}}}\right)\max _ {\varepsilon _{1},\ldots,\varepsilon _{n}\in \{-1,1\}}\sum _{i,j\in \{1,\ldots,n\},i\ neq j}a_{ij}\varepsilon _{1}\varepsilon _{n}.}
Z drugiej strony pasująca
Makarychev
, Makarychev i
z
Naor
w 2006 roku
dolna
granica wynika Alon , .
Nierówność
Grothendiecka
od struktury sol
wykresu
zależy
.
_ _
_
_
_ Wiadomo, że
log ω ≲ K. ( sol ) ≲ log ϑ ,
{\ Displaystyle \ log \ omega \ lesssim K (G) \ lesssim \ log \ vartheta,}
I
K ( sol ) ≤
π
2 log
(
1 +
( ϑ - 1
)
2
+ 1
ϑ - 1
)
,
{\ Displaystyle K (G) \ równoważnik {\ Frac {\ pi} {2 \ log \ lewo ({\ frac {1+{\sqrt {(\vartheta -1)^{2}+1}}}{\vartheta -1}}\right)}},}
gdzie
ω
{\ Displaystyle \ omega}
jest liczbą kliki sol
{\ Displaystyle G}
,
tj. największą
k ∈ { 2 , … , n }
{\ Displaystyle k \ in \ {2, \ ldots, n \}}
takie, że istnieje
S ⊂ { 1 , … , n }
{\ Displaystyle S \ podzbiór \ {1 \ ldots, n \}}
z
|
S
|
= k
{\ displaystyle | S | = k}
tak, że
ja jot ∈ mi
dla
{\ Displaystyle ij \ w E}
wszystkich odrębnych
ja , jot ∈ S
{\ Displaystyle i, j \ in S}
i
ϑ = min
{
0
max
ja ∈ { 1 , … , n }
1
⟨
x
ja
, y ⟩
:
x
1
, … ,
x
n
, y ∈
S
n
,
⟨
x
ja
,
x
jot
⟩
= ∀ ja jot ∈ mi
}
.
{\ Displaystyle \ vartheta = \ min \ lewo \ {\ max _ {i \ w \ {1, \ ldots, n \}} {\ Frac {1} {\ langle x_ {i}, y \ rangle}}: x_{1},\ldots,x_{n},y\in S^{n},\left\langle x_{i},x_{j}\right\rangle =0\;\dla wszystkich ij\in E\ Prawidłowy\}.}
Parametr jest znany jako funkcja theta Lovásza dopełnienia .
ϑ
displaystyle \
{
vartheta }
\
Nierówność L^p Grothendiecka
Stosując nierówność Grothendiecka do przybliżenia normy cięcia, widzieliśmy, że nierówność Grothendiecka odpowiada na następujące pytanie: Jak dobrze optymalne rozwiązanie półokreślonego programu SDP ( ZA ) {\ Displaystyle {\ tekst
{
SDP } }
( A)}
przybliżony
‖ ZA
‖
∞ → 1
{\ Displaystyle \|A \|_ {\ infty \ do 1}}
, co można postrzegać jako problem optymalizacji na sześcianie jednostkowym? Mówiąc bardziej ogólnie, możemy zadać podobne pytania dotyczące ciał wypukłych innych niż sześcian jednostkowy.
Na przykład następująca nierówność wynika z Naora i Schechtmana oraz niezależnie od Guruswamiego i in.: Dla każdej
( za ja
jot
macierzy
)
\
})}
A
{ ij
{
= Displaystyle A = (a_ i każdy
p ≥ 2
{\ Displaystyle p \ geq 2}
,
maks
x
1
, … ,
x
n
∈
R
n
,
∑
k = 1
n
‖
x
k
‖
2
p
≤ 1
∑
ja = 1
n
∑
j = 1
n
p
za
ja
jot
2
jot
⟨
x
ja
,
x
⟩
≤
γ
maks
t
1
,
… ,
t
n
∈
R
,
∑
k = 1
n
|
t
k
|
p
≤ 1
∑
ja = 1
n
∑
jot = 1
n
za
ja jot
t
ja
t
jot
,
{\ Displaystyle \ max _ {x_ {1}, \ ldots, x_ {n} \ w \ mathbb {R} ^ {n}, \ suma _ {k = 1} ^ {n} \| x_ {k} \ |_{2}^{p}\równik 1}\suma _{i=1}^{n}\suma _{j=1}^{n}a_{ij}\lewo\langle x_{i}, x_{j}\right\rangle \leq \gamma _{p}^{2}\max _{t_{1},\ldots ,t_{n}\in \mathbb {R} ,\suma _{k= 1}^{n}|t_{k}|^{p}\równoważnik 1}\suma _{i=1}^{n}\suma _{j=1}^{n}a_{ij}t_{ i}t_{j},}
Gdzie
γ
p
=
2
(
Γ ( ( p + 1 )
/
2 )
π
)
1
/
p
.
{\ Displaystyle \ gamma _ {p} = {\ sqrt {2}} \ lewo ({\ Frac {\ Gamma ((p + 1)/2)} {\ sqrt {\ pi}}} \ prawej) ^ { 1/p}.}
Stała
jest
ostra
nierówności
.
w
→
/
{
{2} =
O (
1
) }
Wzór
as
\ Displaystyle \ gamma _ {p} ^
Stirlinga implikuje, że p
∞
e +
infty }
p .
Zobacz też
Linki zewnętrzne
Przestrzenie
Twierdzenia
Operatorzy
algebry
Otwarte problemy
Aplikacje
Zaawansowane tematy