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解法: 交差族によるMarcus–Spielman–Srivastavaの証明(2013年)

ステップ 2/8: 分割をコイン投げに変える:期待特性多項式
ざっくり言うと

良い分割を手作業で設計する代わりに、各添字が独立に、零ベクトルまたは再尺度化したベクトル 2 vi\sqrt{2}\,v_i のいずれかを同じ確率で寄与するとする。得られるランダムな半正定行列はランダムな部分和であり、その共分散データはちょうど行列 vivi∗v_iv_i^* である。交差族の議論が良い結果を一つ選び、二つのブロックへの分割は結論で標準的な r=2r=2 の直和リフトから得られる。

wi∈{0,2 vi} independently with equal probabilities,E[wiwi∗]=vivi∗w_i \in \{0,\sqrt{2}\,v_i\}\text{ independently with equal probabilities}, \qquad \mathbb{E}[w_iw_i^*]=v_iv_i^*
詳しい解説

各添字について、等しい確率で wi∈{0,2 vi}w_i\in\{0,\sqrt{2}\,v_i\} から独立にランダムベクトルを選び、ランダム行列 ∑iwiwi∗\sum_i w_iw_i^* を作る。その期待特性多項式は p(x)=E[det⁡(xI−∑iwiwi∗)]p(x)=\mathbb{E}\big[\det(xI-\sum_i w_iw_i^*)\big] である。wiw_i の共分散は vivi∗v_iv_i^* なので、混合特性多項式の機構を適用できる。符号に関する恒等式ではなく、後の直和リフトこそが、両方のブロックを制御する分割を生み出す。

このステップの用語
特性多項式
正方行列 AA に対する多項式 det⁡(xI−A)\det(xI-A) であり、その根はまさに AA の固有値である。したがって最大根を評価することは行列の最大固有値を評価することに等しい。
作用素ノルム
エルミート行列 AA に対して、その作用素ノルム ∥A∥\|A\| は固有値の絶対値の最大値に等しく、AA が単位ベクトルをどれだけ引き伸ばせるかの最大量を測る。
このステップで使う知識