非负矩阵的边扩张与谱隙
组合数学
2019-09-30 v1 离散数学
摘要
经典的图论 Cheeger 不等式指出,若 M M M 是 n × n n\times n n × n 对称双随机矩阵,则 1 − λ 2 ( M ) 2 ≤ ϕ ( M ) ≤ 2 ⋅ ( 1 − λ 2 ( M ) ) \frac{1-\lambda_{2}(M)}{2}\leq\phi(M)\leq\sqrt{2\cdot(1-\lambda_{2}(M))} 2 1 − λ 2 ( M ) ≤ ϕ ( M ) ≤ 2 ⋅ ( 1 − λ 2 ( M )) 其中 ϕ ( M ) = min S ⊆ [ n ] , ∣ S ∣ ≤ n / 2 ( 1 ∣ S ∣ ∑ i ∈ S , j ∉ S M i , j ) \phi(M)=\min_{S\subseteq[n],|S|\leq n/2}\left(\frac{1}{|S|}\sum_{i\in S,j\not\in S}M_{i,j}\right) ϕ ( M ) = min S ⊆ [ n ] , ∣ S ∣ ≤ n /2 ( ∣ S ∣ 1 ∑ i ∈ S , j ∈ S M i , j ) 是 M M M 的边扩张,λ 2 ( M ) \lambda_{2}(M) λ 2 ( M ) 是 M M M 的第二大特征值。我们研究任意双随机矩阵 A A A (不一定对称)的 ϕ ( A ) \phi(A) ϕ ( A ) 与谱隙 1 − Re λ 2 ( A ) 1-\text{Re}\lambda_{2}(A) 1 − Re λ 2 ( A ) 之间的关系,其中 λ 2 ( A ) \lambda_{2}(A) λ 2 ( A ) 是具有最大实部的非平凡特征值。Fiedler 证明了 ϕ ( A ) \phi(A) ϕ ( A ) 的上界不受影响,即 ϕ ( A ) ≤ 2 ⋅ ( 1 − Re λ 2 ( A ) ) \phi(A)\leq\sqrt{2\cdot(1-\text{Re}\lambda_{2}(A))} ϕ ( A ) ≤ 2 ⋅ ( 1 − Re λ 2 ( A )) 。关于 ϕ ( A ) \phi(A) ϕ ( A ) 的下界,已有构造满足 ϕ ( A ) ∈ Θ ( 1 − Re λ 2 ( A ) log n ) , \phi(A)\in\Theta\left(\frac{1-\text{Re}\lambda_{2}(A)}{\log n}\right), ϕ ( A ) ∈ Θ ( log n 1 − Re λ 2 ( A ) ) , 表明至少需要对 n n n 的温和依赖才能给出 ϕ ( A ) \phi(A) ϕ ( A ) 的下界。在我们的第一个结果中,我们给出了指数级更优的 n × n n\times n n × n 双随机矩阵 A n A_{n} A n 构造,使得 ϕ ( A n ) ≤ 1 − Re λ 2 ( A n ) n . \phi(A_{n})\leq\frac{1-\text{Re}\lambda_{2}(A_{n})}{\sqrt{n}}. ϕ ( A n ) ≤ n 1 − Re λ 2 ( A n ) . 事实上,我们的矩阵所有非平凡特征值均为 0 0 0 ,尽管这些矩阵具有高度非扩张性。我们进一步通过证明对任意双随机矩阵 A A A , ϕ ( A ) ≥ 1 − Re λ 2 ( A ) 35 ⋅ n . \phi(A)\geq\frac{1-\text{Re}\lambda_{2}(A)}{35\cdot n}. ϕ ( A ) ≥ 35 ⋅ n 1 − Re λ 2 ( A ) . 表明该界处于正确范围(直至 n n n 的指数)。我们的第二个结果将这些界推广到一般非负矩阵 R R R ,获得了 Perron-Frobenius 定理的双侧定量改进,其中边扩张 ϕ ( R ) \phi(R) ϕ ( R ) (恰当定义)作为 R R R 不可约性的定量度量,控制着 Perron-Frobenius 特征值与任意其他特征值的最大实部之间的差距。
引用
@article{arxiv.1909.12497,
title = {Edge Expansion and Spectral Gap of Nonnegative Matrices},
author = {Jenish C. Mehta and Leonard J. Schulman},
journal= {arXiv preprint arXiv:1909.12497},
year = {2019}
}