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

ステップ 6/8: バリア関数:根の評価を手で計算する
ざっくり言うと

多項式が実根を持つと分かっても、それは根が存在し良く振る舞うことを教えてくれるだけで、実際にどれほど大きいかは教えてくれない。実際の数値を突き止めるため、Marcus、Spielman、Srivastavaは、グラフの疎な近似を構築するためにBatson、Spielman、Srivastava(2012年)が元々発明した手法を再利用する:最大根のすぐ右に柵のように働く「バリア関数」であり、上から根に近づくにつれてその値が無限大に発散する。

戦略は、進行中の和にもう一つのベクトルの寄与を加えても、この柵が固定された位置を越えて押し出されることは決してないと示すことである。したがって mm 個すべてのベクトルを加えた後も、最大根はその固定位置の下に閉じ込められたままである—これは、追加される一つ一つの箱が重心をあまりに遠くへ動かさないことを確認することで、積み上げた箱の山が決して倒れないと証明するのに似ている。

Φu(A):=tr⁡(uI−A)−1,roots of p(x)≤max⁡{u:Φu stays below a fixed threshold}\Phi^u(A) := \operatorname{tr}(uI-A)^{-1}, \qquad \text{roots of } p(x) \le \max\{u : \Phi^u \text{ stays below a fixed threshold}\}
詳しい解説

多変数バリア関数論法は、A=∑i≤kvivi∗A = \sum_{i \le k} v_iv_i^* を一度に一つのベクトルずつ構築する各段階で、選ばれた閾値 uu に対するポテンシャル Φu(A)=tr⁡(uI−A)−1\Phi^u(A) = \operatorname{tr}(uI-A)^{-1} を追跡する:この量は uu が AA のすべての固有値を超えている限り有限であり、uu が上から最大固有値に近づくにつれて無限に増大する。Batson、Spielman、Srivastavaによる(単一行列の)元々のバリア法(2012年)は、Φu(A)\Phi^u(A) が固定された評価より下から始まっている限り、∥v∥2\|v\|^2 が十分小さいランク1の項 vv∗vv^* を一つ加えても、バリアが制御された小さな量しか動かないことを示す。

Marcus、Spielman、Srivastavaはこれを多変数実安定の設定へと拡張する:混合特性多項式は一度に一つのベクトルずつ構築できるため(一つの vivi∗v_iv_i^* を加えることは、もう一つの ziz_i に関して微分することに対応する)、同じポテンシャル関数の会計処理により、p(x)p(x) の最大根が構築の全過程を通じて u∗=(1+2δ)2/2u^* = (1+\sqrt{2\delta})^2/2 以下にとどまることが、δ=max⁡i∥vi∥2\delta = \max_i \|v_i\|^2 に対して示される。これはまさにWeaverが KS2KS_2 で予想した定数である。

これは証明全体の中で最も計算的な段階である:実安定性と交差族という抽象的な機構が、正直で検証可能な数値的不等式へと変換され、「根は実数である」ことと「根は証明可能にこの特定の数以下である」ことの間の隙間を埋めるのは、まさにここである。

このステップの用語
バリア関数・ポテンシャル関数
(uI−A)−1(uI-A)^{-1} のトレースのような、行列に対する実数値関数であり、uu が AA のすべての固有値より十分大きい間は小さく保たれ、uu が最大固有値に近づくと爆発的に増大する。これを追跡することで、ある操作が最大固有値をどれだけ動かせるかを定量的に制御できる。
このステップで使う知識