On eigenvalue gaps of integer matrices

数学 特征向量 整数(计算机科学) 整数矩阵 组合数学 对称矩阵 非负矩阵 计算机科学 量子力学 物理 程序设计语言
作者
Aaron Abrams,Zeph Landau,Jamie Pommersheim,Nikhil Srivastava
出处
期刊:Mathematics of Computation [American Mathematical Society]
被引量:1
标识
DOI:10.1090/mcom/3905
摘要

Given an n × n n\times n matrix with integer entries in the range [ h , h ] [-h,h] , how close can two of its distinct eigenvalues be? The best previously known examples (Lu [Minimum eigenvalue separation, ProQuest LLC, Ann Arbor, MI, 1992. Thesis (Ph.D.)–University of California, Berkeley; Wilkinson [The algebraic eigenvalue problem, Monographs on Numerical Analysis, The Clarendon Press, Oxford University Press, New York, 1988]) have a minimum gap of h O ( n ) h^{-O(n)} . Here we give an explicit construction of matrices with entries in [ 0 , h ] [0,h] with two eigenvalues separated by at most h n 2 / 16 + o ( n 2 ) h^{-n^2/16+o(n^2)} . Up to a constant in the exponent, this agrees with the known lower bound of Ω ( ( 2 n ) n 2 h n 2 ) \Omega ((2\sqrt {n})^{-n^2}h^{-n^2}) (Mahler [Michigan Math. J. 11 (1964), pp. 257–262]). Bounds on the minimum gap are relevant to the worst case analysis of algorithms for diagonalization and computing canonical forms of integer matrices (e.g. Dey et al. [Bit complexity of Jordan normal form and polynomial spectral factorization, Schloss Dagstuhl. Leibniz-Zent. Inform., Wadern, 2023, pp. Art. No. 42]). In addition to our explicit construction, we show there are many matrices with a slightly larger gap of roughly h n 2 / 32 h^{-n^2/32} . We also construct 0-1 matrices which have two eigenvalues separated by at most 2 n 2 / 64 + o ( n 2 ) 2^{-n^2/64+o(n^2)} .
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