We consider certificates of positivity for univariate polynomials with rational coefficients that are positive over (an interval of)~$\mathbb{R}$. Such certificates take the form of weighted sums of squares (SOS) of polynomials with rational coefficients. We build on the algorithm of Chevillard, Harrison, Jolde{ş}, and Lauter~\cite{chml-usos-alg-11}, and we introduce a variant that we refer to as \usos. Given a polynomial of degree~$d$ with maximum coefficient bitsize~$τ$, we show that \usos computes a rational weighted SOS representation in $\widetilde{\mathcal{O}}_B(d^3 + d^2 τ)$ bit operations; the resulting certificate of posivitity involves rationals of bitsize $\widetilde{\mathcal{O}}(d^2 τ)$. This improves the best-known complexity bounds by a factor of~$d$ and completes previous analyses. We also extend these results to certificates of positivity over arbitrary rational intervals, via a simple transformation. In this case as well, our techniques yield a factor-$d$ improvement in the complexity bounds. Along the same line, for univariate polynomials with rational coefficients, we introduce a new class of certificates, which we call \emph{perturbed SOS certificates}. They consist of a sum of two rational squares that approximates the input polynomial closely enough so that nonnegativity of the approximation implies the nonnegativity of the original polynomial. This computation has the same bit complexity and yields certificates of the same bitsize as in the weighted SOS case. We further investigate structural properties of these SOS decompositions. Relying on the classical result that any nonnegative univariate real polynomial is the sum of two squares of real polynomials, we show that the summands form an interlacing pair. Consequently, their real roots correspond to the Karlin points of the original polynomial on~$\mathbb{R}$, establishing a new connection with the T-systems studied by Karlin~\cite{Karlin-repr-pos-63}. This connection enables us to compute such decompositions explicitly. Previously, only existential results were known for T-systems. We obtain analogous results for positivity over $(0, \infty)$, and hence over arbitrary real intervals. Finally, we present our open-source Maple implementation of the \usos algorithm, together with experiments on various data sets demonstrating the efficiency of our approach.


翻译:本文研究具有有理系数且在($\mathbb{R}$ 的某个区间上)正定的一元多项式的正定性证明。此类证明通常采用具有有理系数的多项式的加权平方和(SOS)形式。我们在 Chevillard、Harrison、Jolde{ş} 和 Lauter 的算法~\cite{chml-usos-alg-11} 基础上,提出一种称为 \usos 的变体。对于一个次数为 $d$、最大系数比特大小为 $τ$ 的多项式,我们证明 \usos 可在 $\widetilde{\mathcal{O}}_B(d^3 + d^2 τ)$ 比特操作内计算出一个有理加权 SOS 表示;所得正定性证明涉及比特大小为 $\widetilde{\mathcal{O}}(d^2 τ)$ 的有理数。该结果将当前最优复杂度边界提升了 $d$ 倍,并完善了先前的分析。通过简单变换,我们还将这些结果推广至任意有理区间上的正定性证明。在此情况下,我们的技术同样实现了复杂度边界 $d$ 倍的改进。基于同一思路,针对具有有理系数的一元多项式,我们引入一类新的证明,称为 \emph{扰动 SOS 证明}。它们由两个有理平方项的和构成,该和足够逼近输入多项式,使得逼近的非负性蕴含原多项式的非负性。该计算具有与加权 SOS 情形相同的比特复杂度,且生成的证明具有相同的比特大小。我们进一步研究了这些 SOS 分解的结构性质。依据经典结论——任何非负一元实多项式可表示为两个实多项式平方的和,我们证明其加项构成一个交错对。因此,它们的实根对应于原多项式在 $\mathbb{R}$ 上的 Karlin 点,从而建立了与 Karlin 所研究的 T-系统~\cite{Karlin-repr-pos-63} 的新联系。这一联系使我们能够显式计算此类分解。此前,关于 T-系统仅存在性结果已知。我们获得了在 $(0, \infty)$ 上(进而在任意实区间上)正定性的类似结果。最后,我们展示了 \usos 算法的开源 Maple 实现,并通过在不同数据集上的实验验证了该方法的效率。

0
下载
关闭预览

相关内容

NeurIPS 2021 | 寻找用于变分布泛化的隐式因果因子
专知会员服务
17+阅读 · 2021年12月7日
专知会员服务
50+阅读 · 2021年6月2日
图节点嵌入(Node Embeddings)概述,9页pdf
专知会员服务
40+阅读 · 2020年8月22日
图节点嵌入(Node Embeddings)概述,9页pdf
专知
15+阅读 · 2020年8月22日
【NeurIPS2019】图变换网络:Graph Transformer Network
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
CNN 反向传播算法推导
统计学习与视觉计算组
30+阅读 · 2017年12月29日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
图节点嵌入(Node Embeddings)概述,9页pdf
专知
15+阅读 · 2020年8月22日
【NeurIPS2019】图变换网络:Graph Transformer Network
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
CNN 反向传播算法推导
统计学习与视觉计算组
30+阅读 · 2017年12月29日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员