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Circular law

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584: 589: 1804:
The circular law result was extended in 1985 by Girko to an elliptical law for ensembles of matrices with a fixed amount of correlation between the entries above and below the diagonal. The elliptic and circular laws were further generalized by Aceituno, Rogers and Schomerus to the hypotrochoid law
341: 1513: 945: 1790:. In the 1980s, Vyacheslav Girko introduced an approach which allowed to establish the circular law for more general distributions. Further progress was made by Zhidong Bai, who established the circular law under certain smoothness assumptions on the distribution. 1290: 1389: 1384: 172: 579:{\displaystyle \rho _{n}\left(z_{1},\ldots ,z_{n}\right)={\frac {1}{\pi ^{n}\prod _{k=1}^{n}k!}}\exp \left(-\sum _{k=1}^{n}\left|z_{k}\right|^{2}\right)\prod _{1\leq j<k\leq n}\left|z_{j}-z_{k}\right|^{2}} 1000: 714: 808: 800: 759: 233: 1143: 1730: 1772: 1636: 1683: 74: 46: 1218: 650: 272: 1223: 1801:, Guangming Pan and Wang Zhou, and Friedrich Gรถtze and Alexander Tikhomirov. Finally, in 2010 Tao and Vu proved the circular law under the minimal assumptions stated above. 1566: 1074: 308: 1540: 1180: 1038: 336: 1297: 592:
Plot of the real and imaginary parts (scaled by sqrt(1000)) of the eigenvalues of a 1000x1000 matrix with independent, standard normal entries.
107: 1508:{\displaystyle Y_{n}:={\sqrt {4n\gamma _{n}}}\left({\frac {1}{\sqrt {n}}}\rho \left(G_{n}\right)-1-{\sqrt {\frac {\gamma _{n}}{4n}}}\right),} 1079: 1685:
almost surely falls uniformly on the unit disc. and the edge statistics theorem states that the radius of the almost-unit-disk is about
957: 940:{\displaystyle \mu _{{\frac {1}{\sqrt {n}}}X_{n}}(A)=n^{-1}\#\{j\leq n:\lambda _{j}\in A\}~,\quad A\in {\mathcal {B}}(\mathbb {C} ).} 655: 93: 2235:
Aceituno, P.V.; Rogers, T.; Schomerus, H. (2019). "Universal hypotrochoidic law for random matrices with cyclic correlations".
764: 723: 1814: 177: 1688: 1735: 1571: 1002: 1649: 2302: 1185: 604: 238: 2254: 1911: 1868: 1549: 1043: 2278: 2244: 2198: 2172: 2138: 2112: 2085: 2067: 2040: 2014: 1856: 1835: 17: 2270: 1884: 280: 2262: 2182: 2122: 2077: 2024: 1977: 1919: 1876: 2194: 2134: 2036: 1991: 1931: 1518: 1285:{\displaystyle \lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {1}{\sqrt {n}}}\rho \left(G_{n}\right)=1} 1158: 1016: 2190: 2130: 2032: 1987: 1927: 60: 21: 1902:
Ginibre, Jean (1965). "Statistical ensembles of complex, quaternion, and real matrices".
2258: 2058:
Pan, G.; Zhou, W. (2010). "Circular law, extreme singular values and potential theory".
1915: 1872: 321: 78: 1880: 2296: 2282: 951: 42: 2202: 2044: 2142: 2089: 1787: 2266: 2156: 1794: 717: 29: 2081: 1379:{\displaystyle \gamma _{n}=\log \left({\frac {n}{2\pi }}\right)-2\log(\log(n))} 2028: 1543: 1982: 1965: 1888: 1798: 2274: 235:, with all their entries sampled IID from the standard normal distribution 2103:
Gรถtze, F.; Tikhomirov, A. (2010). "The circular law for random matrices".
167:{\displaystyle X={\frac {1}{\sqrt {2}}}Z_{1}+{\frac {i}{\sqrt {2}}}Z_{2}} 82: 1857:"A limit theorem at the edge of a non-Hermitian random matrix ensemble" 2186: 2126: 1923: 1834:
Meckes, Elizabeth (2021-01-08). "The Eigenvalues of Random Matrices".
588: 2163:(2010). "Random matrices: Universality of ESD and the Circular Law". 2160: 2249: 1840: 2177: 2117: 2072: 2019: 587: 995:{\displaystyle \displaystyle \mu _{{\frac {1}{\sqrt {n}}}X_{n}}} 2005:
Tao, T.; Vu, V.H. (2008). "Random matrices: the circular law".
1782:
For random matrices with Gaussian distribution of entries (the
709:{\displaystyle \lambda _{1},\ldots ,\lambda _{n},1\leq j\leq n} 652:
be a sequence sampled from the complex Ginibre ensemble. Let
918: 244: 795:{\displaystyle \displaystyle {\frac {1}{\sqrt {n}}}X_{n}} 754:{\displaystyle \displaystyle {\frac {1}{\sqrt {n}}}X_{n}} 75:
independent and identically distributed random variables
1646:. In words, the circular law says that the spectrum of 228:{\displaystyle Z_{1},Z_{2}\in \mathbb {R} ^{n\times n}} 1145:
We have the following theorem for the edge statistics:
1040:
be sampled from the real or complex ensemble, and let
954:(i.e. with probability one), the sequence of measures 1793:
The assumptions were further relaxed in the works of
1738: 1691: 1652: 1574: 1552: 1521: 1392: 1300: 1226: 1188: 1161: 1138:{\displaystyle \rho (G_{n}):=\max _{j}|\lambda _{j}|} 1082: 1046: 1019: 961: 960: 811: 768: 767: 727: 726: 658: 607: 344: 324: 283: 241: 180: 110: 1786:), the circular law was established in the 1960s by 1725:{\displaystyle 1-{\sqrt {\frac {\gamma _{n}}{4n}}}} 2171:(5). appendix by Manjunath Krishnapur: 2023โ€“2065. 1767:{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {4n\gamma _{n}}}}} 1766: 1724: 1677: 1630: 1560: 1534: 1507: 1378: 1284: 1212: 1174: 1137: 1068: 1032: 994: 939: 794: 753: 708: 644: 578: 330: 302: 266: 227: 166: 1631:{\displaystyle F_{\mathrm {Gum} }(x)=e^{-e^{-x}}} 1228: 1106: 1076:be the absolute value of its maximal eigenvalue: 47:independent and identically distributed entries 1861:Journal of Physics A: Mathematical and General 8: 900: 869: 92:, the limiting spectral distribution is the 1678:{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {n}}}G_{n}} 1149: 761:. Define the empirical spectral measure of 104:The complex Ginibre ensemble is defined as 1805:which includes higher order correlations. 2248: 2176: 2116: 2071: 2018: 1981: 1839: 1755: 1739: 1737: 1705: 1698: 1690: 1669: 1653: 1651: 1617: 1609: 1580: 1579: 1573: 1554: 1553: 1551: 1526: 1520: 1480: 1473: 1454: 1431: 1418: 1406: 1397: 1391: 1324: 1305: 1299: 1266: 1243: 1231: 1225: 1200: 1187: 1166: 1160: 1130: 1124: 1115: 1109: 1093: 1081: 1057: 1045: 1024: 1018: 1005:to the uniform measure on the unit disk. 983: 967: 966: 959: 927: 926: 917: 916: 888: 857: 833: 817: 816: 810: 785: 769: 766: 744: 728: 725: 682: 663: 657: 636: 625: 615: 606: 570: 559: 546: 512: 497: 487: 472: 461: 428: 417: 407: 397: 383: 364: 349: 343: 323: 294: 282: 243: 242: 240: 213: 209: 208: 198: 185: 179: 158: 142: 133: 117: 109: 2216:Girko, V.L. (1985). "The elliptic law". 1945:Girko, V.L. (1984). "The circular law". 277:The real Ginibre ensemble is defined as 1826: 1213:{\displaystyle \rho \left(G_{n}\right)} 1150:Edge statistics of the Ginibre ensemble 645:{\displaystyle (X_{n})_{n=1}^{\infty }} 2218:Teoriya Veroyatnostei i ee Primeneniya 1947:Teoriya Veroyatnostei i ee Primeneniya 1568:with cumulative distribution function 7: 1644:circular law of the Ginibre ensemble 59:It asserts that for any sequence of 1546:, i.e., the probability measure on 267:{\displaystyle {\mathcal {N}}(0,1)} 1587: 1584: 1581: 1238: 866: 637: 14: 1542:converges in distribution to the 20:, more specifically the study of 1220:as above, with probability one, 1774:, according to the Gumbel law. 1732:, and fluctuates on a scale of 909: 1815:Wigner semicircle distribution 1599: 1593: 1373: 1370: 1364: 1355: 1235: 1131: 1116: 1099: 1086: 1063: 1050: 931: 923: 847: 841: 622: 608: 261: 249: 1: 28:concerns the distribution of 1561:{\displaystyle \mathbb {R} } 1069:{\displaystyle \rho (G_{n})} 338:are distributed according to 2267:10.1103/PhysRevE.100.010302 1881:10.1088/0305-4470/36/12/331 2319: 2082:10.1016/j.jmva.2009.08.005 2029:10.1142/s0219199708002788 1642:This theorem refines the 1003:converges in distribution 1855:Rider, B (2003-03-28). 303:{\displaystyle X=Z_{1}} 1983:10.1214/aop/1024404298 1768: 1726: 1679: 1632: 1562: 1536: 1509: 1380: 1286: 1214: 1176: 1139: 1070: 1034: 996: 941: 796: 755: 710: 646: 593: 580: 477: 433: 332: 304: 268: 229: 168: 2165:Annals of Probability 2105:Annals of Probability 2007:Commun. Contemp. Math 1970:Annals of Probability 1769: 1727: 1680: 1633: 1563: 1537: 1535:{\displaystyle Y_{n}} 1510: 1381: 1287: 1215: 1177: 1175:{\displaystyle G_{n}} 1140: 1071: 1035: 1033:{\displaystyle G_{n}} 997: 942: 797: 756: 711: 647: 591: 581: 457: 413: 333: 305: 269: 230: 169: 2060:J. Multivariate Anal 1736: 1689: 1650: 1572: 1550: 1519: 1390: 1298: 1224: 1186: 1159: 1080: 1044: 1017: 958: 809: 765: 724: 656: 605: 342: 322: 281: 239: 178: 108: 96:over the unit disc. 94:uniform distribution 2259:2019PhRvE.100a0302A 1916:1965JMP.....6..440G 1873:2003JPhA...36.3401R 1153: —  641: 318:The eigenvalues of 1964:Bai, Z.D. (1997). 1764: 1722: 1675: 1628: 1558: 1532: 1505: 1376: 1282: 1242: 1210: 1172: 1151: 1135: 1114: 1066: 1030: 992: 991: 937: 792: 791: 751: 750: 706: 642: 621: 594: 576: 535: 328: 300: 264: 225: 164: 73:whose entries are 18:probability theory 2237:Physical Review E 2187:10.1214/10-AOP534 2127:10.1214/09-aop522 1924:10.1063/1.1704292 1867:(12): 3401โ€“3409. 1784:Ginibre ensembles 1762: 1761: 1720: 1719: 1663: 1662: 1495: 1494: 1441: 1440: 1424: 1337: 1253: 1252: 1227: 1105: 977: 976: 905: 827: 826: 779: 778: 738: 737: 508: 441: 331:{\displaystyle X} 152: 151: 127: 126: 100:Ginibre ensembles 2310: 2287: 2286: 2252: 2232: 2226: 2225: 2213: 2207: 2206: 2180: 2153: 2147: 2146: 2120: 2111:(4): 1444โ€“1491. 2100: 2094: 2093: 2075: 2055: 2049: 2048: 2022: 2002: 1996: 1995: 1985: 1961: 1955: 1954: 1942: 1936: 1935: 1899: 1893: 1892: 1852: 1846: 1845: 1843: 1831: 1773: 1771: 1770: 1765: 1763: 1760: 1759: 1744: 1740: 1731: 1729: 1728: 1723: 1721: 1718: 1710: 1709: 1700: 1699: 1684: 1682: 1681: 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Vu 1753:γ 1703:γ 1696:− 1619:− 1611:− 1478:γ 1471:− 1465:− 1444:ρ 1416:γ 1362:⁡ 1353:⁡ 1344:− 1334:π 1318:⁡ 1303:γ 1256:ρ 1239:∞ 1236:→ 1190:ρ 1122:λ 1084:ρ 1048:ρ 964:μ 914:∈ 895:∈ 886:λ 876:≤ 867:# 859:− 814:μ 701:≤ 695:≤ 680:λ 673:… 661:λ 638:∞ 553:− 529:≤ 517:≤ 510:∏ 459:∑ 455:− 447:⁡ 415:∏ 405:π 374:… 347:ρ 218:× 205:∈ 85:equal to 81:zero and 2297:Category 2275:31499759 2203:15769353 2045:15888373 1809:See also 83:variance 71:matrices 2255:Bibcode 2195:2722794 2161:Vu, Van 2143:1290255 2135:2663633 2090:7475359 2037:2409368 1992:1428519 1932:0173726 1912:Bibcode 1869:Bibcode 1778:History 66:× 61:random 37:× 2281:  2273:  2201:  2193:  2141:  2133:  2088:  2043:  2035:  1990:  1930:  1887:  950:Then, 904:  32:of an 24:, the 2279:S2CID 2245:arXiv 2199:S2CID 2173:arXiv 2139:S2CID 2113:arXiv 2086:S2CID 2068:arXiv 2041:S2CID 2015:arXiv 1836:arXiv 1515:then 45:with 2271:PMID 1885:ISSN 1797:and 1386:and 1182:and 1155:For 1013:Let 601:Let 523:< 174:for 79:mean 2263:doi 2241:100 2183:doi 2123:doi 2078:doi 2064:101 2025:doi 1978:doi 1920:doi 1877:doi 1359:log 1350:log 1315:log 1229:lim 1107:max 802:as 720:of 444:exp 16:In 2299:: 2277:. 2269:. 2261:. 2253:. 2239:. 2222:30 2220:. 2197:. 2191:MR 2189:. 2181:. 2169:38 2167:. 2159:; 2137:. 2131:MR 2129:. 2121:. 2109:38 2107:. 2084:. 2076:. 2062:. 2039:. 2033:MR 2031:. 2023:. 2011:10 2009:. 1988:MR 1986:. 1974:25 1972:. 1968:. 1951:29 1949:. 1928:MR 1926:. 1918:. 1906:. 1883:. 1875:. 1865:36 1863:. 1859:. 1638:. 1404::= 1103::= 310:. 274:. 87:1/ 56:. 2285:. 2265:: 2257:: 2247:: 2205:. 2185:: 2175:: 2145:. 2125:: 2115:: 2092:. 2080:: 2070:: 2047:. 2027:: 2017:: 1994:. 1980:: 1934:. 1922:: 1914:: 1908:6 1891:. 1879:: 1871:: 1844:. 1838:: 1757:n 1749:n 1746:4 1742:1 1716:n 1713:4 1707:n 1693:1 1671:n 1667:G 1660:n 1656:1 1622:x 1615:e 1607:e 1603:= 1600:) 1597:x 1594:( 1588:m 1585:u 1582:G 1577:F 1555:R 1528:n 1524:Y 1503:, 1499:) 1491:n 1488:4 1482:n 1468:1 1461:) 1456:n 1452:G 1448:( 1438:n 1434:1 1428:( 1420:n 1412:n 1409:4 1399:n 1395:Y 1374:) 1371:) 1368:n 1365:( 1356:( 1347:2 1340:) 1331:2 1327:n 1322:( 1312:= 1307:n 1280:1 1277:= 1273:) 1268:n 1264:G 1260:( 1250:n 1246:1 1233:n 1207:) 1202:n 1198:G 1194:( 1168:n 1164:G 1132:| 1126:j 1117:| 1111:j 1100:) 1095:n 1091:G 1087:( 1064:) 1059:n 1055:G 1051:( 1026:n 1022:G 985:n 981:X 974:n 970:1 935:. 932:) 928:C 924:( 919:B 911:A 907:, 901:} 898:A 890:j 882:: 879:n 873:j 870:{ 862:1 855:n 851:= 848:) 845:A 842:( 835:n 831:X 824:n 820:1 787:n 783:X 776:n 772:1 746:n 742:X 735:n 731:1 704:n 698:j 692:1 689:, 684:n 676:, 670:, 665:1 633:1 630:= 627:n 623:) 617:n 613:X 609:( 572:2 567:| 561:k 557:z 548:j 544:z 539:| 532:n 526:k 520:j 514:1 505:) 499:2 494:| 489:k 485:z 481:| 474:n 469:1 466:= 463:k 451:( 438:! 435:k 430:n 425:1 422:= 419:k 409:n 400:1 395:= 391:) 385:n 381:z 377:, 371:, 366:1 362:z 357:( 351:n 326:X 296:1 292:Z 288:= 285:X 262:) 259:1 256:, 253:0 250:( 245:N 221:n 215:n 210:R 200:2 196:Z 192:, 187:1 183:Z 160:2 156:Z 149:2 145:i 140:+ 135:1 131:Z 124:2 120:1 115:= 112:X 89:n 68:n 64:n 52:n 39:n 35:n

Index

probability theory
random matrices
eigenvalues
random matrix
independent and identically distributed entries
random n × n matrices
independent and identically distributed random variables
mean
variance
uniform distribution

eigenvalues
almost surely
converges in distribution
Gumbel law
circular law of the Ginibre ensemble
Jean Ginibre
Terence Tao
Van H. Vu
Wigner semicircle distribution
arXiv
2101.02928
"A limit theorem at the edge of a non-Hermitian random matrix ensemble"
Bibcode
2003JPhA...36.3401R
doi
10.1088/0305-4470/36/12/331
ISSN
0305-4470
Bibcode

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