Theorie zufälliger Matrizen

Ähnliche Dokumente
Universalität für Wigner Matrizen

Wiederholungsserie II

Literatur zum Quantenchaos:

Begleitmaterial zur Vorlesung Numerik II

Latent Semantic Analysis. Christian Ebert & Fritz Hamm. Lineare Algebra IV: Diagonalisierungen. Latent Semantic. Analysis/Indexing. 12.

Multivariate Verteilungen. Gerhard Tutz LMU München

Theorie der Zufallsmatrizen, Niveaustatistiken

Zufallsmatrixtheorie eine Einführung

Statistische Analyseverfahren Abschnitt 2: Zufallsvektoren und mehrdimensionale Verteilungen

47 Singulärwertzerlegung

2 k k 1 k(k + 1) = 2n+1. n = 0 = k(k + 1) = 2n+1 n n. = 2 n+1 n + 2 (n + 1)(n + 2) + n. (n + 1)(n + 2)

5 Interpolation und Approximation

Lineare Algebra für Physiker 11. Übungsblatt

Eigenwerte. Vorlesung Computergestützte Mathematik zur Linearen Algebra. Lehrstuhl für Angewandte Mathematik Sommersemester 2009

Lineare Algebra und Geometrie II, Übungen

Klausur zur Vorlesung Lineare Algebra II, SoSe 2016,

4.6 Berechnung von Eigenwerten

Begleitmaterial zur Vorlesung Numerik I

cos(x)cos(2x)cos(4x) cos(2 n x) = sin(2n+1 x) 2 n+1 sin(x) = sin(2n+2 x) 2 n+2 sin(x).

3 Eigenwertberechnung

5 Lineare Algebra (Teil 3): Skalarprodukt

4 Funktionenfolgen und normierte Räume

Analysis. Lineare Algebra

Orthogonalreihendarstellung eines zentrierten Gauß-Prozesses

Fallstudien der mathematischen Modellbildung Teil 3: Quanten-Operationen. 0 i = i 0

III Das Symmetrische Eigenwertproblem (SEP)

= 11 ± 5, also k 1 = 3 und k 2 = 8.

IX. Das symmetrische Eigenwertproblem (SEP)

Statistics, Data Analysis, and Simulation SS 2017

Übungsaufgaben zu den mathematischen Grundlagen von KM

Stroppel Musterlösung , 180min. Aufgabe 1 (4 Punkte) Bestimmen Sie die folgenden Grenzwerte und Funktionengrenzwerte.

6 Hauptachsentransformation

Die wichtigste Funktion der Mathematik

Orthonormalisierung. ein euklidischer bzw. unitärer Vektorraum. Wir setzen

Lineare Algebra. 13. Übungsstunde. Steven Battilana. stevenb student.ethz.ch battilana.uk/teaching

TU Ilmenau Institut für Mathematik FG Numerische Mathematik und Informationsverarbeitung PD Dr. W. Neundorf Datei: UEBG2.TEX

Lösungen zu Mathematik I/II

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2015): Lineare Algebra und analytische Geometrie 2

KLAUSUR. Name: Vorname: Matr. Nr./Studiengang: Versuch Nr.:

Zufallsmatrizen in stürmischen Zeiten

Ausgewählte Lösungen zu den Übungsblättern 9-10

Sommer 2017 Musterlösung

Zeige, daß A nichtsingulär ist und berechne die Inverse Matrix. Lösung: A ist nicht singulär, wenn det A 0. Ist das der Fall, so gilt

Lösungen zu Mathematik I/II

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 10. Aufgabe ETH Zürich D-MATH. Herbstsemester Dr. V. Gradinaru D.

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 12. Aufgabe Herbstsemester Dr. V. Gradinaru D. Devaud.

T2 Quantenmechanik Lösungen 7

BZQ II: Stochastikpraktikum

Kapitel 5 : Eigenwerte und Eigenvektoren

Lineare Algebra. 13. Übungsstunde. Steven Battilana.

Klausur zur Höheren Mathematik I (ET/IT/AI/IKT/P/MP) WS 2016/

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Serie 13

Musterlösung Serie 21

Einführung in die Hauptkomponentenanalyse

1.11 Eigenwertproblem Anwendungen von Eigenwerten und Eigenvektoren Lineare Rekursionen Lineare Differentialgleichungssysteme Bestimmung von

Einführung in numerische Methoden für Ingenieure (nach A. Quarteroni, F. Saleri: Wissenschaftliches Rechnen mit MATLAB)

6.1 Definition der multivariaten Normalverteilung

Basisprüfung. 18. August 2015

1 Analytische Geometrie und Grundlagen

D-INFK Lineare Algebra HS 2017 Özlem Imamoglu Olga Sorkine-Hornung. Musterlösung 13. (A ± I)x = 0 Ax ± x = 0 Ax = ±x Ax = λx

Klausur zu. Lineare Algebra II. Viel Erfolg! Fachbereich Mathematik WS 2012/13 Dr. habil. Matthias Schneider. Bonus Note. Aufgabe

OLS-Schätzung: asymptotische Eigenschaften

2 a 6. a 4 a Wir führen nun den Gauÿalgorithmus durch: 2 a a 2 4a 2 4a a a 2 2a 0 2 a

Zufällige stabile Prozesse und stabile stochastische Integrale. Stochastikseminar, Dezember 2011

(a), für i = 1,..., n.

Lösungen zur Prüfung Lineare Algebra I/II für D-MAVT

Gruppe II Lineare Algebra

D-MATH Numerische Methoden FS 2016 Dr. Vasile Gradinaru Alexander Dabrowski. Serie 9

D-MATH Numerische Methoden FS 2017 Dr. Vasile Gradinaru Luc Grosheintz. Serie 10

Aufgabe 2 (5 Punkte) y = 1 x. y + 3e 3x+2 x. von f. (ii) Für welches u in R 2 gilt f(u) = [3, 3, 4] T? x 2 + a x 3 x 1 4x 2 + a x 3 2x 4

Mathematische Werkzeuge R. Neubecker, WS 2016 / 2017

13 Grenzwertsätze Das Gesetz der großen Zahlen

5 Allgemeine Verfahren zum Testen von Hypothesen

10. Übung zur Linearen Algebra II -

Diplom Vorprüfung bzw. Bachelor Modulprüfung Höhere Mathematik II für die Fachrichtung Physik. Lösungsvorschläge. det

51 Numerische Berechnung von Eigenwerten und Eigenvektoren

Theorie-Teil: Aufgaben 1-3: 30 Punkte Programmier-Teil: Aufgaben 4-9: 60 Punkte

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Analytische Zahlentheorie

7. Übungs-/Wiederholungsblatt zu Einführung in die Numerik (SS 2012)

D-MATH, D-PHYS, D-CHEM Lineare Algebra II SS 011 Tom Ilmanen. Musterlösung 12. a ij = v i,av j (A ist symmetrisch) = Av i,v j

a b Q = b a 0 ) existiert ein Element p Q, so dass gilt: q 1 q 2 = 2 b 1 b 2 a 1 b 2 a 2 b 1 a 1 a 2 b 1 b 2 a 1 b 2 a 2 b 1 a b p = 1 det(q) C 2 2,

Lösungsskizzen zur Nachklausur

Mathematische Grundlagen

Tschebyscheff-Polynome

Höhere Mathematik II für die Fachrichtung Physik

6 Symmetrische Matrizen und quadratische Formen

Lösung zu Serie 18. Lineare Algebra D-MATH, HS Prof. Richard Pink

8. Vorlesung, 5. April Numerische Methoden I. Eigenwerte und Eigenvektoren

K. Eppler, Inst. f. Num. Mathematik Übungsaufgaben. 13. Übung: Woche vom (Lin.Alg.

(also ) Oft wird Zusammenhang zwischen und mit einem Index angedeutet, z.b. wird der Eigenvektor v. durch gekennzeichnet.

Berechnung der Determinante

12.2 Gauß-Quadratur. Erinnerung: Mit der Newton-Cotes Quadratur. I n [f] = g i f(x i ) I[f] = f(x) dx

Klausur (Modulprüfung) zum Lehrerweiterbildungskurs 4 Lineare Algebra/Analytische Geometrie II SoSe 2016

Proseminar Lineare Algebra II, SS 11. Blatt

Lineare Algebra I Ferienblatt

9. Übungsblatt zur Mathematik I für Maschinenbau

Lösungsskizzen zur Klausur

Transkript:

Theorie zufälliger Matrizen Susanna Röblitz (geb. Kube) Disputationsvortrag Berlin, 17. Dezember 2008

1,000,000 $ Kernphysik Multivariate Statistik 17.12.2008 2/29 Susanna Röblitz

1,000,000 $ Kernphysik Zufallsmatrizen Multivariate Statistik 17.12.2008 3/29 Susanna Röblitz

Zufallsmatrix Zufallsmatrix: Einträge sind Zufallsvariablen gegeben Verteilung der Matrix A gesucht Verteilung von f (A) (z.b. Eigenwerte, Eigenvektoren) für N 17.12.2008 4/29 Susanna Röblitz

Kernphysik Schrödinger-Gleichung ı t ψ = Hψ Atomkern (Neutronenwechselwirkung): H oft unbekannt oder zu komplex H H zufällige hermitesche Matrix Hypothese: Die charakteristischen Energien eines chaotischen Systems verhalten sich lokal wie die Eigenwerte einer Zufallsmatrix. [E.P. Wigner(1951), C.E. Porter, N. Rosenzweig (1960), F. Dyson (1962)] 17.12.2008 5/29 Susanna Röblitz

Multivariate Statistik A = [x 1,..., x n ] Stichprobe aus X N m (µ, Σ) empirische Kovarianz-Matrix S = 1 n 1 n (x i x)(x i x), x = 1 n i=1 n i=1 x i (n 1)S = ZZ W m (n 1, Σ) [J. Wishart (1928)] Anwendungsbeispiel: Hauptkomponentenanalyse Eigenwertverteilung? 17.12.2008 6/29 Susanna Röblitz

Ein Milleniumproblem (1,000,000 $) Riemannsche Zeta-Funktion Im ζ(s) = n=1 1 n s = p prim 1 1 1/p s 2 0 1 Re s C, R(s) > 1 Nullstellen geben Auskunft über Verteilung der Primzahlen! Riemannsche Vermutung (1859, Hilbert 1900): Nullstellen im kritischen Streifen liegen auf Geraden {s R(s) = 1/2} Hilbert-Pólya-Vermutung: Die Nullstellen der Riemannschen Zeta-Funktion entsprechen den Eigenwerten des Operators 1 + ıt, T hermitesch 2 1/2 17.12.2008 7/29 Susanna Röblitz

Numerische Verifizierung Wahrscheinlichkeitsdichte der Abstände der Nullstellen der Riemannschen Zeta-Funktion (30000 Nullstellen, n 10 12, 10 21, 10 22 ) 1 Wahrscheinlichkeit 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 normalisierte Abstände http//www.dtc.umn.edu/~odlyzko/zeta tables/index.html 17.12.2008 8/29 Susanna Röblitz

Weitere Anwendungen lineare Gleichungssysteme zufällige Graphen Datenkomprimierung (compressed sensing) Quantenfeldtheorie... 17.12.2008 9/29 Susanna Röblitz

1. Welche Zufallsmatrizen gibt es? 2. Was möchte man darüber wissen? 3. Wie bekommt man diese Informationen? 17.12.2008 10/29 Susanna Röblitz

Ensemble von Zufallsmatrizen Hermite Laguerre Jacobi (Gauß) (Wishart) (MANOVA) H = (A + A )/2 W = A A J = A/(A + B) A G β (n, n) A G β (m, n) A W β (m 1, n) B W β (m 2, n) 17.12.2008 11/29 Susanna Röblitz

Fragestellung Abstände benachbarter Eigenwerte Abstand zwischen k Eigenwerten mittlere Anzahl von Eigenwerten in einem fixen Intervall Verteilung des größten/kleinsten Eigenwertes... Wie kann man diese Statistiken bestimmen? 17.12.2008 12/29 Susanna Röblitz

Monte-Carlo-Verfahren 1. Matrixverteilung wählen 2. Stichprobe ziehen (N N Matrix A generieren) 3. Eigenwert berechnen 4. Statistik aufstellen Problem: sehr zeitaufwändig für große N Ziel: effiziente Berechnung 17.12.2008 13/29 Susanna Röblitz

Der klügere Weg Drei Schritte zum Erfolg 1. dünn besetztes Matrixmodell 2. Skalierung der Matrix 3. Vernachlässigen kleiner Einträge (cutoff) Werkzeugkasten numerische lineare Algebra orthogonale Polynome Differentialoperatoren 17.12.2008 14/29 Susanna Röblitz

Das Hermite-Ensemble Hermite-Ensemble = Gaußsches Ensemble H β = (A + A )/2, A G β (n, n) Name β Eigenschaft Invarianz orthogonal (GOE) 1 (R) symmetrisch A Q AQ unitär (GUE) 2 (C) hermitesch A U H AU symplektisch (GSE) 4 (H) selbst-dual A S D AS z.b. GUE: A=randn(N)+i*randn(N); H=(A+A )/2; 17.12.2008 15/29 Susanna Röblitz

Tridiagonales Matrixmodell [Trotter (1984), Dimitriu, Edelman (2002)] Eine beliebige N N Matrix A β N aus dem β-hermite-ensemble ist orthogonal ähnlich zu 2G χ(n 1)β H β N 1 χ (N 1)β 2G χ(n 2)β........., β > 0 2β χ 2β 2G χβ χ β 2G Es gibt kein vollbesetztes Matrixmodell für β 1, 2, 4, jedoch ein tridiagonales Modell für beliebige β > 0! Eigenwerte bleiben erhalten! 17.12.2008 16/29 Susanna Röblitz

β χ r r + 1 2 G [B. Sutton (2005)] H β N β H N = 1 2 0 N 1 N 1 0 N 2......... 2 0 1 1 0 Das Modell ist deterministisch! Frage: Was sind die Eigenwerte und Eigenvektoren dieser Matrix? H N = QΛQ 17.12.2008 17/29 Susanna Röblitz

Orthogonale Polynome Hermitesches Polynom: Hermitesche Funktion: Drei-Term-Rekursion: xψ H n (x) = π H m(x)π H n (x)e x2 dx = δ mn ψ H n (x) = π H n (x)e x2 /2 n n + 1 2 ψh n 1(x) + 2 ψh n+1(x) 17.12.2008 18/29 Susanna Röblitz

Drei-Term-Rekursion Matrixschreibweise: N N + 1 xψ H N (x) = 2 ψh N 1 (x) + ψn+1 H 2 (x) diag(x 1,..., x N ) [Ψ H j 1(x i )] i,j=1,...,n = [Ψ H j 1(x i )] i=1,...,n;j=1,...,n+1 T T = 1 2 0 1 1 0 2......... N 2 0 N 1 N 1 0 N 17.12.2008 19/29 Susanna Röblitz

Drei-Term-Rekursion Seien z 1,..., z N die Nullstellen von π H N. diag(z 1,..., z N )[Ψ H j 1(z i )] i,j=1,...,n = [Ψ H j 1(z i )] i,j=1,...,n FH N F F = 1... 1 HN = QΛQ, Λ = diag(z 1,..., z N ), Q ij = ΨH N i (z j) KN 1 H (z j, z j ) Eigenwerte von H N = Nullstellen des Hermite-Polynoms πh N 17.12.2008 20/29 Susanna Röblitz

Die Airy-Funktion Problem: Nullstellen sind unbeschränkt für N Airy-Funktion: Ai(x) = 1 π Nullstellen 0 > ξ 1 > ξ 2... [Szegö (1939)] 0 ( ) t 3 cos 3 + xt dt y 1 0.5 0 0.5 Ai(x) 1 15 10 5 0 5 x z N,k 2N 1 2 N 1/6 ξ k, z N,N+1 k 2N + 1 2 N 1/6 ξ k Um einen Grenzwert bilden zu können, muss man shiften und skalieren. 17.12.2008 21/29 Susanna Röblitz

Der Airy-Operator Setze h = N 1/3, H N H N = 2N 1/6 (H N 2NI N ) x k = hk (k = 1,..., N): ist Finite-Differenzen-Approximation an den Airy-Operator A = d 2 x auf [0, ), dx 2 Eigenwertzerlegung: RB: f (0) = 0, lim f (x) = 0 x A [Ai(x + ξ k )] = ξ k [Ai(x + ξ k )], 0 > ξ 1 > ξ 2 >... NST von Ai Die Eigenvektoren von H N sind diskretisierte Airy-Funktionen: H N v i = λ i v i, λ i = ξ i, v i (k) = Ai(x k + ξ i ), x k = kh (k = 1,..., N) 17.12.2008 22/29 Susanna Röblitz

Cutoff Eigenvektor zum Eigenwert λ 1 = ξ 1 2.34 v 1 (k) = Ai(x k + ξ 1 ), x k = kh (k = 1,..., N) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Ai(x+ξ 1 ) cutoff: Bestimme den Index k, so dass 0 0 2 4 6 8 10 x v(i) < ε i > k Ai(x i + ξ 1 ) < ε i > k wähle ε = 2 52 : hk = x k < 16 k < 16/h = 16N 1/3 17.12.2008 23/29 Susanna Röblitz

β < H β N H N + 1 2 β 2G G G 2G G......... G 2G G G 2G, β > 0 H β N = 2N 1/6 (H β N 2NI N ) ist Finite-Differenzen-Approximation an den stochastischen Airy-Operator A β = d 2 dx 2 x + 2 β dw auf [0, ), RB: f (0) = 0, lim x f (x) = 0 Behauptung: Die Verteilung des größten Eigenwertes von A β entspricht der Verteilung des größten Eigenwertes von H β N 17.12.2008 24/29 Susanna Röblitz

Numerische Verifizierung Histogramme der Wahrscheinlichkeitsdichten des skalierten größten Eigenwertes (10 5 Wiederholungen, N = 10 9 ) β=1 β=2 β=4 Wahrscheinlichkeit 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 6 4 2 0 2 4 Wahrscheinlichkeit 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 6 4 2 0 2 4 Wahrscheinlichkeit 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 6 4 2 0 2 4 17.12.2008 25/29 Susanna Röblitz

Effizienz Berechnung des größten Eigenwertes (1 Durchlauf) Laufzeit in Sekunden (1 CPU, Opteron Prozessor, 2.2 MHz) Komplexität N = 10 4 N = 10 6 N = 10 9 N = 10 12 vollbesetzt O(N 3 ) 180 (*) tridiagonal O(N) 0.01 1.1 1200 cutoff O(N 1/3 ) 0.0005 0.001 0.01 0.12 (*) out of memory 17.12.2008 26/29 Susanna Röblitz

Zusammenfassung tridiagonales Matrixmodell Verallgemeinerung des Ensembles auf β > 0 Grenzwert N nur bei geeigneter Skalierung der Matrix Finite-Differenzen-Approximation an stochastischen Operator offene Probleme analytische Resultate für das Laguerre- und Jacobi-Ensemble analytische Resultate für allgemeine β > 0 stochastische Operatoren als möglicher neuer Zugang zur Riemannschen Vermutung 17.12.2008 27/29 Susanna Röblitz

Literatur Einführung und Überblick: M. L. Mehta (2004), Random Matrices, Elsevier, Amsterdam. R. J. Muirhead (1982), Aspects of Multivariate Statistical Theory, John Wiley & Sons, New York. A. Edelmann, N.R. Rao (2005), Random matrix theory, Acta Numerica, 1 65. Stochastische Operatoren: I. Dimitriu, A. Edelmann (2002), Matrix models for beta ensembles, J. Math. Phys., 43(11), 5830 5847. B.D. Sutton (2005), The Stochastic Operator Approach to Random Matrix Theory, PhD thesis, MIT. A. Edelmann, B.D. Sutton (2007), From Random Matrices to Stochastic Operators, J. Statist. Phys., 127(6), 1121 1165. 17.12.2008 28/29 Susanna Röblitz

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 17.12.2008 29/29 Susanna Röblitz