稀疏结构时,往往显得力不从心,只能给出一些比较粗糙的上下界估计,无法捕捉到其精细的渐近规律。
张诚在达到数学三级后,敏锐地察觉到,这类图的拉普拉斯谱的局部统计性质,可能与某种随机矩阵enseb1e(系综)的统计性质存在深刻的联系!
这是一个大胆的猜想。
因为随机矩阵理论通常描述的是高度无序系统的谱性质,而他所研究的图虽然稀疏,却有着确定性的递归构造规则。
他的创新点,就在于构建了一个巧妙的“局部-全局”
桥接框架,并引入了一个新型的、适用于此类确定性稀疏图的“平均场”
近似方法。
·“局部-全局”
桥接框架:他证明,尽管整个图是无限和稀疏的,但其拉普拉斯算子的re1vent(预解式)的极限行为,可以由一系列有限的、刻画图局部递归结构的“基本单元”
的谱信息,通过一种多重尺度分析来精确决定。
这相当于将复杂的全局谱问题,分解为一系列可处理的局部谱问题,并找到了它们之间精确的“重组”
规则。
·“平均场”
近似方法:他受到统计物理中平均场思想的启,但进行了根本性的改造。
他并非引入真实的随机性,而是构造了一个确定性的、但具有等效统计效应的辅助算子序列。
这个辅助算子序列的谱性质恰好对应于某个已知的随机矩阵系综(例如高斯酉系综gue的某种缩放极限)。
然后,他通过极其精细的算子范数估计和扰动理论,严格证明了在渐近意义下,原始确定性稀疏图的拉普拉斯谱的局部统计(如特征值间距分布),与这个辅助随机矩阵系综的相应统计是重合的!
这无疑是一个惊人的结论!
它揭示了在某些高度结构化的稀疏系统中,确定性动力学可以“涌现”
出随机性的特征,这深刻连接了有序与无序、确定性与概率性这两个看似对立的数学世界。
研究过程同样充满了挑战。
第一天和第二天,他主要精力花在了构建那个“局部-全局”
框架上。
如何定义合适的“基本单元”
?如何刻画它们之间的连接关系并在谱层面进行叠加?这需要深厚的图论功底和对算子理论的深刻理解。
他尝试了几种不同的分解方式,才最终找到了一种既能保持谱信息完整性,又便于进行后续分析的划分方案。
草稿纸上画满了各种奇形怪状的图结构及其分解示意图。
第三天,他转向构建那个关键的“平均场”
辅助算子。
这是最需要灵感的环节。
他需要找到一个数学对象,它既能“模仿”
原稀疏图的局部递归结构,又恰好与某个已被充分研究的随机矩阵模型挂钩。
这仿佛是在两个看似毫不相关的数学领域之间架设一座桥梁。
他反复查阅脑海中关于随机矩阵各种极限定理的细节,对比原图的谱特性,进行大量的试探性构造和计算。
“如果在这里引入一个具有特定方差的高斯权重……不对,这样会破坏图的确定性结构。”<