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<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1 plus MathML 2.0//EN"

"http://www.w3.org/TR/MathML2/dtd/xhtml-math11-f.dtd">

<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml"

xmlns:math="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"

xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">

<head>

<title>On perturbation</title>
<link rel="stylesheet" type="text/css" href="../makotosite.css" />
</head>

<body>
  <div class="header">
<p>
	  <a href="../index.html">makotosite</a> : <a href="index.html">Operator theory seminars</a> : On perturbation
	</p>
  </div>
<h1>On perturbation</h1>

<p>We assume <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&epsi;</mi>

<mi>&lt;</mi><mfrac><mrow><mn>1</mn>

</mrow><mrow><mn>2</mn>

</mrow></mfrac>

</math>. As in the textbook, let

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>



</math> be a matrix unit in <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub>



</math>. Bythe lemma we can take

a unitary operator <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>U</mi>



</math> in <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>C</mi> <mo>*</mo></msup>

<mo>(</mo><mi>A</mi><mo>,</mo><mi>B</mi><mo>)</mo>

</math> such that<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>UAU</mi> <mo>*</mo></msup>

<mo>&subset;</mo><mi>B</mi>

</math>

and <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>U</mi><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mi>&epsi;</mi>

</math>. Put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

<mo>=</mo><msubsup><mi>UF</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msup><mi>U</mi> <mo>*</mo></msup>

</math>. Then we have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mn>2</mn><mi>&epsi;</mi>

</math>. In particular, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>



</math> is bounded belowby <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mn>1</mn>

<mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&epsi;</mi>

</math> on the range of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>F</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>



</math> and vice versa.Thus <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>Y</mi>

<mo>=</mo><msub><mo lspace="thinmathspace" rspace="thinmathspace">&Sum;</mo> <mrow><mi>s</mi>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

</math> is an invertibleelement

of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>B</mi>



</math>. By the polar decomposition <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>Y</mi>

<mo>=</mo><msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub><mo>|</mo><mi>Y</mi><mo>|</mo>

</math>, we get anunitary

operator <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub>



</math> in <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>B</mi>



</math>.</p>



<p>Note that <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub>



</math> maps the range of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>



</math> onto that of

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>



</math>and also it is sufficiently close to <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>I</mi>



</math>: <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>Y</mi><mo>-</mo><mo>|</mo><mi>Y</mi><mo>|</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&sdot;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>Y</mi><msup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mrow><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo>

<mn>1</mn></mrow></msup>

</math>. From<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>Y</mi> <mo>*</mo></msup>

<mi>Y</mi><mo>=</mo><msub><mo lspace="thinmathspace" rspace="thinmathspace">&Sum;</mo> <mrow><mi>s</mi>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msubsup><mi>G</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mi>i</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

</math>, we get<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mo>|</mo><mi>Y</mi><msup><mo>|</mo> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mn>2</mn><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi>

</math>, consequently <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mo>|</mo><mi>Y</mi><mo>|</mo><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mn>2</mn><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi>

</math>. We also have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>Y</mi><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mn>2</mn><msub><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dimA</mo> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi>

</math>, hence <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>Y</mi><mo>-</mo><mo>|</mo><mi>Y</mi><mo>|</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mn>4</mn><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi>

</math> and<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML' display='block'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn>

<mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi></mrow><mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&epsi;</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo>

</math></p>



<p>Put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>W</mi> <mi>j</mi> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

<mo>=</mo><msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>j</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

</math>. Then <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>W</mi>

<mo>=</mo><msub><mo lspace="thinmathspace" rspace="thinmathspace">&Sum;</mo> <mrow><mi>s</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><msubsup><mi>W</mi> <mi>j</mi> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

</math> is unitary and satisfies <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>WF</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

<msup><mi>W</mi> <mo>*</mo></msup><mo>=</mo><msubsup><mi>G</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>

</math>. Finally, the unitary <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>V</mi>

<mo>=</mo><msup><mi>W</mi> <mo>*</mo></msup><mi>U</mi>

</math> commutes with

the <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup>



</math> (hence with <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub>



</math>) and we have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>VAV</mi> <mo>*</mo></msup>

<mo>&subset;</mo><mi>B</mi>

</math>. On the other hand we have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML' display='block'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msubsup><mi>W</mi> <mi>j</mi> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>j</mi>

<mo>,</mo><mi>j</mi></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>j</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>j</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msubsup><mi>G</mi> <mrow><mi>j</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>F</mi> <mrow><mi>j</mi>

<mo>,</mo><mn>1</mn></mrow> <mrow><mo>(</mo>

<mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>+</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msub><mi>W</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mrow><mo>(</mo>

<mn>2</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn>

<mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi></mrow><mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&epsi;</mi></mrow></mfrac> <mo>)</mo></mrow><mi>&epsi;</mi><mo>.</mo>

</math> This leads to

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML' display='block'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>W</mi><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mrow><mo>(</mo>

<mn>2</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn>

<mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>*</mo><mi>&epsi;</mi></mrow><mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&epsi;</mi></mrow></mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>&sdot;</mo><mi>&epsi;</mi><mo>&Rightarrow;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>V</mi><mo>-</mo><mi>I</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mrow><mo>(</mo>

<mn>2</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn>

<mo>(</mo><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">dim</mo><msub><mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><msup><mo>)</mo> <mn>2</mn></msup><mi>&epsi;</mi></mrow><mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&epsi;</mi></mrow></mfrac> <mo>)</mo></mrow><mi>&epsi;</mi><mo>.</mo>

</math>
</p>
<div class="footer">

<p id="authoranddate">This document was written by <a

href="mailto:makotoy@ms.u-tokyo.ac.jp">Yamashita Makoto</a><br />
  Last update: 2006-05-02.
</p>

</div>
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</html>




