Tropical totally positive matrices

We investigate the tropical analogues of totally positive and totally nonnegative matrices. These arise when considering the images by the nonarchimedean valuation of the corresponding classes of matrices over a real nonarchimedean valued field, like the field of real Puiseux series. We show that the nonarchimedean valuation sends the totally positive matrices precisely to the Monge matrices. This leads to explicit polyhedral representations of the tropical analogues of totally positive and totally nonnegative matrices. We also show that tropical totally nonnegative matrices with a finite permanent can be factorized in terms of elementary matrices. We finally determine the eigenvalues of tropical totally nonnegative matrices, and relate them with the eigenvalues of totally nonnegative matrices over nonarchimedean fields.Comment: The first author has been partially supported by the PGMO Program of FMJH and EDF, and by the MALTHY Project of the ANR Program. The second author is sported by the French Chateaubriand grant and INRIA postdoctoral fellowshi

Numerical methods and accurate computations with structured matrices

Esta tesis doctoral es un compendio de 11 artículos científicos. El tema principal de la tesis es el Álgebra Lineal Numérica, con énfasis en dos clases de matrices estructuradas: las matrices totalmente positivas y las M-matrices. Para algunas subclases de estas matrices, es posible desarrollar algoritmos para resolver numéricamente varios de los problemas más comunes en álgebra lineal con alta precisión relativa independientemente del número de condición de la matriz. La clave para lograr cálculos precisos está en el uso de una parametrización diferente que represente la estructura especial de la matriz y en el desarrollo de algoritmos adaptados que trabajen con dicha parametrización.Las matrices totalmente positivas no singulares admiten una factorización única como producto de matrices bidiagonales no negativas llamada factorización bidiagonal. Si conocemos esta representación con alta precisión relativa, se puede utilizar para resolver ciertos sistemas de ecuaciones y para calcular la inversa, los valores propios y los valores singulares con alta precisión relativa. Nuestra contribución en este campo ha sido la obtención de la factorización bidiagonal con alta precisión relativa de matrices de colocación de polinomios de Laguerre generalizados, de matrices de colocación de polinomios de Bessel, de clases de matrices que generalizan la matriz de Pascal y de matrices de q-enteros. También hemos estudiado la extensión de varias propiedades óptimas de las matrices de colocación de B-bases normalizadas (que en particular son matrices totalmente positivas). En particular, hemos demostrado propiedades de optimalidad de las matrices de colocación del producto tensorial de B-bases normalizadas.Si conocemos las sumas de filas y las entradas extradiagonales de una M-matriz no singular diagonal dominante con alta precisión relativa, entonces podemos calcular su inversa, determinante y valores singulares también con alta precisión relativa. Hemos buscado nuevos métodos para lograr cálculos precisos con nuevas clases de M-matrices o matrices relacionadas. Hemos propuesto una parametrización para las Z-matrices de Nekrasov con entradas diagonales positivas que puede utilizarse para calcular su inversa y determinante con alta precisión relativa. También hemos estudiado la clase denominada B-matrices, que está muy relacionada con las M-matrices. Hemos obtenido un método para calcular los determinantes de esta clase con alta precisión relativa y otro para calcular los determinantes de las matrices de B-Nekrasov también con alta precisión relativa. Basándonos en la utilización de dos matrices de escalado que hemos introducido, hemos desarrollado nuevas cotas para la norma infinito de la inversa de una matriz de Nekrasov y para el error del problema de complementariedad lineal cuando su matriz asociada es de Nekrasov. También hemos obtenido nuevas cotas para la norma infinito de las inversas de Bpi-matrices, una clase que extiende a las B-matrices, y las hemos utilizado para obtener nuevas cotas del error para el problema de complementariedad lineal cuya matriz asociada es una Bpi-matriz. Algunas clases de matrices han sido generalizadas al caso de mayor dimensión para desarrollar una teoría para tensores extendiendo la conocida para el caso matricial. Por ejemplo, la definición de la clase de las B-matrices ha sido extendida a la clase de B-tensores, dando lugar a un criterio sencillo para identificar una nueva clase de tensores definidos positivos. Hemos propuesto una extensión de la clase de las Bpi-matrices a Bpi-tensores, definiendo así una nueva clase de tensores definidos positivos que puede ser identificada en base a un criterio sencillo basado solo en cálculos que involucran a las entradas del tensor. Finalmente, hemos caracterizado los casos en los que las matrices de Toeplitz tridiagonales son P-matrices y hemos estudiado cuándo pueden ser representadas en términos de una factorización bidiagonal que sirve como parametrización para lograr cálculos con alta precisión relativa.<br /

Dynamic Transmission Conditions for Linear Hyperbolic Systems on Networks

We study evolution equations on networks that can be modeled by means of hyperbolic systems. We extend our previous findings in \cite{KraMugNic20} by discussing well-posedness under rather general transmission conditions that might be either of stationary or dynamic type - or a combination of both. Our results rely upon semigroup theory and elementary linear algebra. We also discuss qualitative properties of solutions

Dissipative Bose-Einstein condensation in contact with a thermal reservoir

We investigate the real-time dynamics of open quantum spin-$1/2$ or hardcore boson systems on a spatial lattice, which are governed by a Markovian quantum master equation. We derive general conditions under which the hierarchy of correlation functions closes such that their time evolution can be computed semi-analytically. Expanding our previous work [Phys. Rev. A 93, 021602 (2016)] we demonstrate the universality of a purely dissipative quantum Markov process that drives the system of spin-$1/2$ particles into a totally symmetric superposition state, corresponding to a Bose-Einstein condensate of hardcore bosons. In particular, we show that the finite-size scaling behavior of the dissipative gap is independent of the chosen boundary conditions and the underlying lattice structure. In addition, we consider the effect of a uniform magnetic field as well as a coupling to a thermal bath to investigate the susceptibility of the engineered dissipative process to unitary and nonunitary perturbations. We establish the nonequilibrium steady-state phase diagram as a function of temperature and dissipative coupling strength. For a small number of particles $N$, we identify a parameter region in which the engineered symmetrizing dissipative process performs robustly, while in the thermodynamic limit $N\rightarrow \infty$, the coupling to the thermal bath destroys any long-range order.Comment: 30 pages, 8 figures; Revised version: Minor changes and references adde

A Second Order Non-Smooth Variational Model for Restoring Manifold-Valued Images

We introduce a new non-smooth variational model for the restoration of manifold-valued data which includes second order differences in the regularization term. While such models were successfully applied for real-valued images, we introduce the second order difference and the corresponding variational models for manifold data, which up to now only existed for cyclic data. The approach requires a combination of techniques from numerical analysis, convex optimization and differential geometry. First, we establish a suitable definition of absolute second order differences for signals and images with values in a manifold. Employing this definition, we introduce a variational denoising model based on first and second order differences in the manifold setup. In order to minimize the corresponding functional, we develop an algorithm using an inexact cyclic proximal point algorithm. We propose an efficient strategy for the computation of the corresponding proximal mappings in symmetric spaces utilizing the machinery of Jacobi fields. For the n-sphere and the manifold of symmetric positive definite matrices, we demonstrate the performance of our algorithm in practice. We prove the convergence of the proposed exact and inexact variant of the cyclic proximal point algorithm in Hadamard spaces. These results which are of interest on its own include, e.g., the manifold of symmetric positive definite matrices

Accurate and fast computations with positive extended Schoenmakers–Coffey matrices

Schoenmakers–Coffey matrices are correlation matrices with important financial applications. Several characterizations of positive extended Schoenmakers–Coffey matrices are presented. This paper provides an accurate and fast method to obtain the bidiagonal decomposition of the conversion of these matrices, which in turn can be used to compute with high relative accuracy the eigenvalues and inverses of positive extended Schoenmakers–Coffey matrices. Numerical examples are included