随机矩阵的奇异值谱:MP 律与 Fuss-Catalan

A、B 为 H×D 独立高斯矩阵(元素方差 1/D,即初始化缩放),大维极限下谱只依赖比值 c = H/D。蓝线:A 的平方奇异值谱 MP_c红线:乘积 AᵀB(D×D 摆法)的谱 MP_c ⊠ MP_c(c = 1 即 Fuss-Catalan FC₂)紫线:ABᵀ(H×H 摆法)÷c 归一的谱 MP_c ⊠ MP_1。 蓝、红均值均为 1,乘积把方差从 c 拉宽到 2c——对应 docs/qk-spectrum.md §3 的初始化基线; 紫线是同一对矩阵的另一种乘法维度,均值本为 c,归一后形状仍与红线不同 (见 docs/math/random-matrix-spectra.md)。

曲线: 横轴:

竖直点线为各分布的支撑端点;端点数值与边缘行为见上表「左端点」「右端点」两行。 σ 轴视角下 c=1 的单矩阵谱即 quarter-circle 律 p(s) = √(4−s²)/π。

各量公式(c = H/D,λ = σ_w²D;上方动态表为归一 λ = 1 的取值):

曲线均值方差x₋(左端)x₊(右端)
A:MP_cλcλ²λ(1 − √c)²λ(1 + √c)²
AᵀB:MP_c ⊠ MP_cλ²2cλ⁴λ²/g(M₋)λ²/g(M₊)
ABᵀ:c·(MP_c ⊠ MP_1)cλ²c²(1+c)λ⁴0cλ²·M₊²(1−c+cM₊)/(M₊−1)

其中 g(M) = (M−1) / [M(1−c+cM)²],M± = (3c ± √(c²+8c)) / (4c)(分支点方程 2cM² − 3cM + (c−1) = 0 的两根); ABᵀ 行的 M₊ = (4c − 1 + √(1+8c)) / (4c)(方程 2cM² + (1−4c)M − 2(1−c) = 0 的正根,其左端 M₋ 根为负,对应 x₋ = 0)。 c = 1 时三者统一:M₊ = 3/2,x₊ = 27/4。 图中紫线为 ABᵀ 的 ÷c 归一版(均值 1、方差 1+c、右端 M₊²(1−c+cM₊)/(M₊−1))。

以上为 σ² 轴公式;σ 轴版本:s₋ = √x₋,s₊ = √x₊(对上表各式开根号即得, 如 MP_c 为 s± = √λ(1 ± √c),c=1 时 AᵀB 为 s₊ = λ√(27/4))。

λ 的来源:元素方差改为 σ_w² 时奇异值整体乘 σ_w(σ(αM) = α·σ(M)), σ² 谱横轴单矩阵乘 λ = σ_w²D、乘积乘 λ²(收缩维数不同)——形状不变,仅整体伸缩; λ 同时就是单矩阵谱的均值(乘积谱均值 λ²),上方滑杆即直接选择 λ。 三条曲线伸缩倍数不同(λ vs λ²),λ ≠ 1 时量级悬殊、难以同图比较—— 这正是默认取 λ = 1(即 σ_w² = 1/D 归一)的原因。

σ 轴(s = σ)的均值/方差:E[σ] = ∫ₐᵇ √x·p(x) dx(等价地 ∫ s·p_σ(s) ds,p_σ(s) = 2s·p(s²))。 单矩阵有超几何闭式 E[σ] = √λ·₂F₁(−1/2, 1/2; 2; c)——MP_c 的矩 E[x^s] = ₂F₁(−s, 1−s; 2; c) 解析延拓到 s = 1/2(整数 s 即 Narayana 多项式:s=1 得 1、s=2 得 1+c); 它非初等函数(c < 1 时等价于 ∫√((b−s²)(s²−a)) ds 型椭圆积分), 但方差闭式随之免费:E[σ²] = E[x] = λ 平凡,故 Var(σ) = λ − E[σ]²。 c = 1 时 Gauss 求和化为 quarter-circle 的初等结果 E[σ] = 8/(3π) ≈ 0.8488, Var = 1 − 64/(9π²) ≈ 0.2795。 乘积、ABᵀ 谱连这种超几何形式都没有——上方动态表在 σ 轴模式下:A 列取该 ₂F₁ 精确值, 乘积/ABᵀ 列按数值积分给出。