First order structure-preserving perturbation theory for eigenvalues of symplectic matrices

A first order perturbation theory for eigenvalues of real or complex J-symplectic matrices under structure- preserving perturbations is developed. As main tools structured canonical forms and Lidskii-like formulas for eigenvalues of multiplicative perturbations are used. Explicit formulas, depending only on appropriately normalized left and right eigenvectors, are obtained for the leading terms of asymptotic expansions describing the perturbed eigenvalues. Special attention is given to eigenvalues on the unit circle, especially to the exceptional eigenvalues ±1, whose behavior under structure-preserving perturbations is known to differ significantly from the behavior under general perturbations. Several numerical examples are used to illustrate the asymptotic expansions

Local perturbations of conservative C1C^1-diffeomorphisms

A number of techniques have been developed to perturb the dynamics of $C^1$-diffeomorphisms and to modify the properties of their periodic orbits. For instance, one can locally linearize the dynamics, change the tangent dynamics, or create local homoclinic orbits. These techniques have been crucial for the understanding of $C^1$ dynamics, but their most precise forms have mostly been shown in the dissipative setting. This work extends these results to volume-preserving and especially symplectic systems. These tools underlie our study of the entropy of $C^1$-diffeomorphisms in (arxiv:1606.01765). We also give an application to the approximation of transitive invariant sets without genericity assumptions.Comment: 31 pages, companion to the paper Entropy of C1 diffeomorphisms without a dominated splitting (arxiv:1606.01765

Realization of tangent perturbations in discrete and continuous time conservative systems

We prove that any perturbation of the symplectic part of the derivative of a Poisson diffeomorphism can be realized as the derivative of a $C^1$-close Poisson diffeomorphism. We also show that a similar property holds for the Poincar\'e map of a Hamiltonian on a Poisson manifold. These results are the conservative counterparts of the Franks lemma, a perturbation tool used in several contexts most notably in the theory of smooth dynamical systems.Comment: 18 pag

Structured perturbation theory for eigenvalues of symplectic matrices

The problem of computing eigenvalues, eigenvectors, and invariant subspaces of symplectic matrices plays a major role in many applications, in particular in control theory when the focus is on discrete systems. If standard numerical methods for the solution of the symplectic eigenproblem are applied that do not take into account the special symmetry structure of the problem, then not only the existing symmetry in the spectrum of symplectic matrices may be lost in finite precision arithmetic, but more importantly other relevant intrinsic features or invariants may be ignored although they have a major influence in the corresponding computed eigenvalues. The importance of structure-preservation has been acknowledged in the Numerical Linear Algebra community since several decades, and consequently many algorithms have been developed for the symplectic eigenvalue problem that preserve the given structure at each iteration step. The error analysis for such algorithms requires a corresponding stucture-preserving perturbation theory. This is the general framework in which this dissertation can be placed. In this work, a first order perturbation theory for eigenvalues of real or complex Jsymplectic matrices under structure-preserving perturbations is developed. Since the class of symplectic matrices has an underlying multiplicative structure, Lidskii’s classical formulas for small additive perturbations of the form b A = A+εB cannot be applied directly, so a new multiplicative perturbation theory is first developed: given an arbitrary square matrix A, we obtain the leading terms of the asymptotic expansions in the small, real parameter ε of multiplicative perturbations b A(ε) = (I +εB +· · · )A(I +εC +· · · ) of A for arbitrary matrices B and C. The analysis is separated in two complementary cases, depending on whether the unperturbed eigenvalue is zero or not. It is shown that in either case the leading exponents are obtained from the partial multiplicities of the eigenvalue of interest, and the leading coefficients generically involve only appropriately normalized left and right eigenvectors of A associated with that eigenvalue, with no need of generalized eigenvectors. It should be noted that, although initially motivated by the needs for the symplectic case, this multiplicative (unstructured) perturbation theory is of independent interest and stands on its own. After showing that any small structured perturbation bS of a symplectic matrix S can be written as bS = bS(ε) = (I + εB + · · · ) S with Hamiltonian first-order coefficient B, we apply the previously obtained Lidskii-like formulas for multiplicative perturbations to the symplectic case by exploiting the particular connections that symplectic structure induces in the Jordan form between normalized left and right eigenvectors. Special attention is given to eigenvalues on the unit circle, particularly to the exceptional eigenvalues ±1, whose behavior under structure-preserving perturbations is known to differ significantly from the behavior under arbitrary ones. Also, several numerical examples are generated Although the approach described above via multiplicative expansions works in most situations, there is a very specific one, the one we call the nongeneric case, which requires a separate, completely different analysis. It corresponds to the case in which, in the absence of structure, the rank of the perturbation would break an odd number of oddsized Jordan blocks corresponding to the eigenvalue either 1 or −1. Since this is not allowed by symplecticity, one among that odd number of Jordan blocks does not break, but increases its size by one becoming an even-sized block. This very special behavior lies outside of the theory developed for what we might call the generic cases, and requires a completely different perturbation analysis, based on Newton diagram techniques like the one performed to obtain the multiplicative expansions. The main difference with the previous expansions is that in this nongeneric case the leading coefficients depend not only on eigenvectors, but also on first generalized Jordan vectors.El problema de calcular autovalores, autovectores y subespacios invariantes de matrices simplécticas juega un papel crucial en muchas aplicaciones, en particular en la Teoría de Control cuando ésta se centra en sistemas discretos. Si para resolver el problema simpléctico de autovalores se emplean métodos numéricos estándar que no tienen en cuenta la simetría especial del problema, entonces no solo se perderá en aritmética finita la simetría natural del espectro de las matrices simplécticas, sino que, aún más importante, podemos estar ignorando otras características o invariantes intrínsecas que tienen una influencia crucial en los correspondientes autovalores calulados. La importancia de preservar la estructura ha sido reconocida por la comunidad del Álgebra Lineal Numérica desde hace varias décadas y, en consecuencia, se han desarrollado diversos algoritmos para el problema simpléctico de autovalores que mantienen la estructura simpléctica en cada paso del proceso iterativo. El análisis de errores de tales algoritmos demanda una teoría de perturbación asociada que también preserve la estructura. Este es el marco general en el que se puede inscribir esta tesis doctoral. En este trabajo se desarrolla una teoría de perturbación de autovalores de matrices J-simplécticas frente a perturbaciones que preservan la simplecticidad de la matriz. Dado que la clase de matrices simplécticas tiene una estructura multiplicativa subyacente, las fórmulas clásicas de Lidskii para perturbaciones aditivas pequeñas de la forma b A = A + εB no se pueden aplicar de manera directa, de modo que desarrollamos una nueva teoría de perturbación multiplicativa: dada cualquier matriz cuadrada A, obtenemos el término director del desarrollo asintótico en el parámetro real (y pequeño) ε de autovalores de perturbaciones multiplicativas b A(ε) = (I + εB + · · · )A(I + εC + · · · ) de A para matrices arbitrarias B y C. El análisis se separa en dos casos complementarios, dependiendo de que el autovalor a perturbar sea nulo o no. Se demuestra que en ambos casos los exponentes directores se obtienen a partir de las multiplicidades parciales del autvalor bajo estudio, y que los coeficientes directores solo involucran genéricamente autovectores derechos e izquierdos adecuadamente normalizados, sin necesidad de autovalor generalizado alguno. Debe señalarse que, aunque inicialmente motivados por la necesidad para el caso simpléctico, esta teoría (no estructurada) de perturbación multiplicativa reviste interés per se independientemente de su aplicación al caso simpléctico. Tras mostrar que cualquier perturbación estructurada peque na bS de una matriz simpléctica S puede escribirse como bS = bS(ε) = (I + εB + · · · ) S con coeficiente de primer orden B Hamiltoniano, aplicamos las fórmulas tipo Lidskii obtenidas para perturbaciones multiplicativas al caso simpléctico, explotando la particular conexión que la estructura simpléctica induce entre los autovectores derechos e izquierdos normalizados por la forma de Jordan. Especial atención se le dedica a los autovalores sobre el círculo unidad, particularmente a los autovalores excepcionales ±1, cuyo comportamiento frente a perturbaciones estructuradas es sabido que difiere muy significativemente del comportamiento frente a perturbaciones arbitrarias. Además, presentamos varios ejemplos numéricos que ilustran (y confirman) los desarrollos asintóticos obtenidos. Aunque el enfoque que acabamos de describir via desarrollos multiplicativos funciona en la mayor parte de las situaciones, hay una muy específica, la que llamamos el caso no-genérico, que requiere de un análisis por separado, completamete distinto del anterior. Corresponde al caso en que, en ausencia de estructura, el rango de la perturbación rompería un número impar de bloques de Jordan de tamaño impar asociados a uno de los autovalores 1 ó −1. Como esto es incompatible con la simplecticidad, uno de entre los bloques de tamaño impar no se rompe, sino que incrementa en uno su dimensión, conviertiéndose en un bloque de Jordn de tamaño par. Este comportamiento tan especial no está explicado por la teoría de lo que podríamos llamar los casos ‘genéricos’ , y requiere de un análisis de perturbación completamente distinto, basado en técnicas del Diagrama de Newton, como el llevado a cabo para obtener los desarrollos multiplicativos. La diferencia principal con los desarrollos anteriores es que en el caso no genérico los coeficientes directores dependen no solo de autovectores, sino también de vectores primeros generalizados de Jordan.Este trabajo ha sido desarrollado en el Departamento de Matemáticas de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) bajo la dirección del profesor Julio Moro Carreño. Se contó con una beca de la UC3M de ayuda al estudio de máster y posteriormente con un contrato predoctoral de la UC3M. Adicionalmente se recibió ayuda parcial del proyecto de investigación: “Matemáticas e Información Cuántica: de las Álgebras de Operadores al Muestreo Cuántico” (Ministerio de Economía y Competitividad de España, Número de proyecto: MTM2014-54692-P).Programa de Doctorado en Ingeniería Matemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Luis Alberto Ibort Latre.- Secretario: Rafael Cantó Colomina.- Vocal: Francisco Enrique Velasco Angul

A Hamiltonian Krylov-Schur-type method based on the symplectic Lanczos process

We discuss a Krylov-Schur like restarting technique applied within the symplectic Lanczos algorithm for the Hamiltonian eigenvalue problem. This allows to easily implement a purging and locking strategy in order to improve the convergence properties of the symplectic Lanczos algorithm. The Krylov-Schur-like restarting is based on the SR algorithm. Some ingredients of the latter need to be adapted to the structure of the symplectic Lanczos recursion. We demonstrate the efficiency of the new method for several Hamiltonian eigenproblems