邻接矩阵特征值的直觉


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我目前正在努力了解Cheeger界和Cheeger不等式的使用,以及它们在频谱划分,电导,扩展等方面的使用,但是我仍然很难对邻接矩阵的第二个特征值有一个直观的认识。
通常,在图论中,我们遇到的大多数概念都非常容易理解,但是在这种情况下,我什至无法提出什么样的图的第二特征值会非常低或非常高。
我一直在阅读SE网络上四处询问的类似问题,但它们通常是指不同领域中的特征值(多元分析,欧几里得距离矩阵,相关矩阵 ...)。
但是关于频谱划分和图论的事情却一无所获。

在图和邻接矩阵的情况下,有人可以分享他对第二特征值的直觉/经验吗?


您是否熟悉邻接矩阵频谱与图上随机游走收敛之间的联系?
— Yuval Filmus,

@YuvalFilmus尽管非常熟悉随机游走,并且以某种方式熟悉了邻接矩阵的频谱,但一点也不。所以我的确对您的观点感兴趣:)
— m.raynal,

Answers:


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第二个(特征值)特征值控制图中随机游动的收敛速度。许多讲义中对此进行了解释,例如Luca Trevisan的讲义。粗略地说,后至均匀的L2距离t步骤可以由有界λ2t。

第二个特征值出现的另一个地方是种植的集团问题。起点是观察到随机G(n,1/2)图包含大小为2log2⁡n的团,但是贪心算法只能找到大小为log2⁡n的团,并且还没有更好的高效算法。(贪婪算法只是选择一个随机节点,丢弃所有非邻居,然后重复。)

这表明在G (n ,1 / 2 )的顶部种植了一个大型集团。问题是:集团应该有多大,以便我们可以有效地找到它。如果我们种植一个C的集团√G(n,1/2)Cnlog⁡n,那么我们就可以仅根据它们的度数来确定它们的顶点。但此方法仅适用于大小为Ω(nlog⁡n)。我们可以使用频谱技术来改善这一点:如果我们种植大小为C的集团 √Cn,然后第二个特征向量对集团进行编码,就像Alon,Krivelevich和Sudakov在经典论文中所展示的那样。

更一般而言,前几个特征向量可用于将图划分为少量簇。例如,请参阅Luca Trevisan讲义的第3章,其中描述了高阶Cheeger不等式。


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(免责声明:此答案通常是关于图形的特征​​值,而不是特定于第二个特征值。不过,我希望它会有所帮助。)

关于图G=(V,E)的特征值的一种有趣的思考方式是采用向量空间Rn,其中n=|V| V。V | 并用函数f:V→R(即顶点标记)标识每个向量。邻接矩阵的特征向量,然后,是的元件f∈Rn使得存在λ∈R(即,本征值)与Af=λf,A是G的邻接矩阵。需要注意的是Af是与发送的每个顶点在地图相关联的向量v∈V到∑u∈N(v)f(u),N(v)是所述组的邻居(即,顶点相邻)u。因此,在此设置下,f的特征向量属性对应于对函数值求和(在f下)的属性。与顶点的函数值乘以常数λ可以得到相同的结果。


非常感谢,我从没有“见过”特征向量乘以\ lambda就能得到邻居函数值之和的值(即使它直接来自定义)。
— m.raynal,

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我都不是:)我偶然发现了关于图形特征值的教学大纲。
— dkaeae,

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我认为在大多数情况下,查看图G的拉普拉斯算子会更有效率,它与邻接矩阵密切相关。在这里,您可以使用它来将第二个特征值与图的“局部与全局”属性相关联。

为简单起见,我们假设G为d正则。则G的规范化Laplacian 为L=I−1dA,其中I是n×n恒等式,A是邻接矩阵。关于拉普拉斯的好处是,写矢量作为功能f:V→R像@dkaeae,以及使用⟨⋅,⋅⟩对于通常内积,我们有由下式给出二次形式这非常好的表达L:

⟨f,Lf⟩=1d∑(u,v)∈E(f(u)−f(v))2.

A的最大特征值是d,对应于L的最小特征值,即0;第二最大特征值λ2的A对应的第二最小特征值L,这是1−λ2d。根据最小-最大原理,我们有

1−λ2d=min{⟨f,Lf⟩⟨f,f⟩:∑v∈Vf(v)=0,f≠0}.

注意⟨f,Lf⟩不,当我们交接班f由同一个常数每个顶点。因此,等效地,您可以为任何f:V→R定义“居中”函数f0乘f0(u)=f(u)−1n∑v∈Vf(v),和写

1−λ2d=min{⟨f,Lf⟩⟨f0,f0⟩:f not constant}.

⟨f0,f0⟩=1n∑{u,v}∈(V2)(f(u)−f(v))2n2

1−λ2d=min{2nd∑(u,v)∈E(f(u)−f(v))22n2∑{u,v}∈(V2)(f(u)−f(v))2:f not constant}.

What this means is that, if we place every vertex u of G on the real line at the point f(u), then the average distance between two independent random vertices in the graph (the denominator) is at most dd−λ2 times the average distance between the endpoints of a random edge in the graph (the numerator). So in this sense, a large spectral gap means that what happens across a random edge of G (local behavior) is a good predictor for what happens across a random uncorrelated pair of vertices (global behavior).

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