Nierówność Grothendiecka

W matematyce nierówność Grothendiecka stwierdza ​​​​istnieje stała uniwersalna następującej właściwości. Jeśli M ij jest macierzą n × n ( rzeczywistą lub zespoloną ) z

więc dla wszystkich (rzeczywistych lub zespolonych) liczb s i t j o wartości bezwzględnej co najwyżej 1

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 . W rzeczywistości istnieją dwie stałe Grothendiecka, i , 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 { będzie Następnie definiuje operator liniowy między przestrzeniami znormalizowanymi i dla . A ZA { \ Displaystyle jest ilość

Jeśli , oznaczamy normę przez .

następujące i jest _ Ponieważ liniowy, wystarczy rozważyć takie, że \ displaystyle możliwe. Porównując dla , widać, że dla wszystkich .

obliczania rozwiązanie następującego programu

Aby to zobaczyć, zauważ, że i biorąc maksimum ponad daje . Następnie biorąc maksimum ponad daje przez wypukłość i przez nierówność trójkąta. Ten kwadratowy program liczb całkowitych można złagodzić do następującego programu półokreślonego :

Wiadomo, że dokładnie ‖ ZA dla jest NP-trudne podczas gdy - trudne dla .

Można zatem zadać następujące naturalne pytanie: Jak dobrze przybliżone jest optymalne rozwiązanie programu półokreślonego ? Nierówność Grothendiecka dostarcza odpowiedzi na istnieje stała stała , że ​​dla dowolnego macierz i dla dowolnej przestrzeni Hilberta H.

Granice na stałych

Sekwencje i łatwo zauważyć, że rosną, a wynik Grothendiecka stwierdza, że ​​są one ograniczone , więc mają granice .

Grothendieck udowodnił, że gdzie jest zdefiniowany jako .

Krivine (1979) poprawił wynik, udowadniając, że , przypuszczając, że górna granica jest wąska. Jednak to przypuszczenie zostało obalone przez Bravermana i in. (2011) .

Stała rzędu Grothendiecka d

Boris Tsirelson wykazał że stałe Grothendiecka istotną w problemie : granica Tsirelsona pełnej dwudzielna nierówność Bella dla układu kwantowego o wymiarze d jest ograniczona w górę przez .

Dolne granice

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 ≈ 1,41421
3 1.41724 1.41758 1.4359 1.4376
4 1.44521 1.44566 1.4841
5 ≈ 1,42857 1.46007 1.46112
6 1.47017
7 1.46286 1.47583
8 1.47586 1,47972
9 1.48608
≈ 1,57079 1,67696

Górne granice

Niektóre dane historyczne dotyczące najlepiej znanych górnych granic :

D Grothendieck, 1953 Rietz, 1974 Krzywin, 1979 Braverman i in., 2011 Hirsch i in., 2016 Designolle i in., 2023
2 ≈ 1,41421
3 1,5163 1.4644 1.4546
4 ≈ 1,5708
8 1.6641
≈ 2,30130 2.261 ≈ 1,78221

Aplikacje

Oszacowanie normy cięcia

Za macierz rzeczywista , norma cięcia z jest definiowana przez

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 tak że cięcie norma jest zdefiniowana przez W

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 ; konkretnie, biorąc pod uwagę , można znaleźć taką liczbę, m

gdzie jest . Ten algorytm aproksymacji wykorzystuje programowanie półokreślone .

Podajemy szkic tego algorytmu aproksymacji. Niech być zdefiniowana macierz przez

Można obserwując tworzą maksymalizator dla normy cięcia , a następnie

tworzą maksymalizator dla normy cięcia . Następnie można sprawdzić, że } Gdzie

Chociaż nie jest to ważne w tym dowodzie, można interpretować jako normę do od do .

Teraz wystarczy zaprojektować wydajny algorytm aproksymacji } Rozważamy następujący program półokreślony :

Następnie . Nierówność Grothediecka oznacza, że . 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 który jest wielomianem w opisie programu rozmiar i . Dlatego można wyprowadzić, co spełnia

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.

-regularny wąskim gardłem” konstruowania regularnego podziału Szemerediego w czasie wielomianowym jest określenie w czasie wielomianowym, czy dana para jest bliska bycia , co oznacza, że ​​dla wszystkich z mamy

gdzie , i to odpowiednio zestawy wierzchołków i krawędzi wykresu. W tym celu konstruujemy { , gdzie , zdefiniowany przez

Następnie dla wszystkich ,

Stąd, jeśli nie jest , to . Wynika z tego, że stosując algorytm aproksymacji normy cięcia wraz z techniką zaokrąglania, można znaleźć w czasie wielomianowym takie że

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 dla każdego wykresu pętli własnych, istnieje uniwersalna stała , że ​​każda macierz spełnia to

Stała wykresie , oznaczona najmniejsza stała spełnia powyższą

Nierówność Grothendiecka wykresu jest rozszerzeniem nierówności Grothendiecka, ponieważ pierwsza nierówność jest szczególnym przypadkiem drugiej nierówności, gdy jest kopiami { \ jako klasy podziału na partycje. Zatem,

Dla n { \

Okazuje się, że . Z jednej strony mamy . Rzeczywiście, następująca nierówność jest prawdziwa dla dowolnej ) , co oznacza, że przez nierówność Cauchy'ego-Schwarza :

Z drugiej strony pasująca granica wynika Alon , .

Nierówność _ _ _ Wiadomo, że

I

gdzie jest liczbą kliki sol tj. największą takie, że istnieje z tak, że wszystkich odrębnych i

Parametr jest znany jako funkcja theta Lovásza dopełnienia . \

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 przybliżony , 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 = i każdy ,

Gdzie

Stała w Stirlinga implikuje, że p .

Zobacz też

Linki zewnętrzne