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Polynomial SOS

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2481: 1844: 2476:{\displaystyle m=2,~x^{\{m\}}={\begin{pmatrix}x_{1}^{2}\\x_{1}x_{2}\\x_{1}x_{3}\\x_{2}^{2}\\x_{2}x_{3}\\x_{3}^{2}\end{pmatrix}},~H+L(\alpha )={\begin{pmatrix}2&-1.25&0&-\alpha _{1}&-\alpha _{2}&-\alpha _{3}\\-1.25&2\alpha _{1}&0.5+\alpha _{2}&0&-\alpha _{4}&-\alpha _{5}\\0&0.5+\alpha _{2}&2\alpha _{3}&\alpha _{4}&\alpha _{5}&-1\\-\alpha _{1}&0&\alpha _{4}&5&0&-\alpha _{6}\\-\alpha _{2}&-\alpha _{4}&\alpha _{5}&0&2\alpha _{6}&0\\-\alpha _{3}&-\alpha _{5}&-1&-\alpha _{6}&0&1\end{pmatrix}}.} 1572: 1318: 3299: 3707: 2972: 3488: 3977:
Surprisingly, in the noncommutative scenario a noncommutative polynomial is SOS if and only if it is matrix-positive. Moreover, there exist algorithms available to decompose matrix-positive polynomials in sum of squares of noncommutative polynomials.
1839: 3118: 986: 724: 1567:{\displaystyle m=2,~x^{\{m\}}={\begin{pmatrix}x_{1}^{2}\\x_{1}x_{2}\\x_{2}^{2}\end{pmatrix}}\!,~H+L(\alpha )={\begin{pmatrix}1&0&-\alpha _{1}\\0&-1+2\alpha _{1}&0\\-\alpha _{1}&0&1\end{pmatrix}}\!.} 3152: 1206: 447: 257:
Although not every form can be represented as SOS, explicit sufficient conditions for a form to be SOS have been found. Moreover, every real nonnegative form can be approximated as closely as desired (in the
3326: 2834: 2806: 1313: 3973: 2590: 586: 836: 218: 3569: 2703: 861: 132: 3005: 3872: 3562: 1208:
was introduced in with the name square matricial representation (SMR) in order to establish whether a form is SOS via an LMI. This representation is also known as Gram matrix.
1063: 2522: 1613: 1655: 316: 1101: 3147: 615: 1639: 759: 480: 2992: 3521: 3321: 1019: 856: 283: 4341:
Burgdorf, Sabine; Cafuta, Kristijan; Klep, Igor; Povh, Janez (25 October 2012). "Algorithmic aspects of sums of Hermitian squares of noncommutative polynomials".
623: 4283:
Chesi, G.; Garulli, A.; Tesi, A.; Vicino, A. (2003). "Robust stability for polytopic systems via polynomially parameter-dependent Lyapunov functions".
355: 3877: 2712: 517: 1114: 764: 141: 29: 4424: 4419: 4399: 1220: 21: 3294:{\displaystyle {\mathcal {L}}=\left\{L=L':~\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)'L\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)=0\right\}.} 2527: 3818: 3526: 1024: 3483:{\displaystyle \omega (n,2m,r)={\frac {1}{2}}r\left(\sigma (n,m)\left(r\sigma (n,m)+1\right)-(r+1)\sigma (n,2m)\right).} 1104: 4389: 3702:{\displaystyle F(x)=\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)'\left(H+L(\alpha )\right)\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)} 2967:{\displaystyle F(x)=\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)'\left(H+L(\alpha )\right)\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)} 2644: 1108: 73: 20:
as sum of squares of polynomials. For representing polynomial as a sum of squares of rational functions, see
25: 250:= 4 a form is SOS if and only if it is positive. The same is also valid for the analog problem on positive 4350: 4125: 1834:{\displaystyle h(x)=2x_{1}^{4}-2.5x_{1}^{3}x_{2}+x_{1}^{2}x_{2}x_{3}-2x_{1}x_{3}^{3}+5x_{2}^{4}+x_{3}^{4}} 52: 40: 3831: 2486: 1577: 288: 4219: 3789: 1066: 4130: 2823:) is SOS amounts to solving a convex optimization problem. Indeed, similarly to the scalar case any 4394: 4355: 338: 223: 17: 4306:
Helton, J. William (September 2002). ""Positive" Noncommutative Polynomials Are Sums of Squares".
1071: 981:{\displaystyle \omega (n,2m)={\frac {1}{2}}\sigma (n,m)\left(1+\sigma (n,m)\right)-\sigma (n,2m).} 4368: 4323: 4209: 4143: 4115: 4084: 4066: 4016: 4103: 3123: 591: 1618: 731: 452: 2995: 2977: 3506: 3306: 3113:{\displaystyle F(x)=\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)'H\left(x^{\{m\}}\otimes I_{r}\right)} 1004: 841: 4360: 4315: 4288: 4227: 4180: 4135: 4076: 4008: 511: 227: 261: 4161: 4223: 4200:
Lasserre, Jean B. (2007). "A Sum of Squares Approximation of Nonnegative Polynomials".
4185: 4057:(May 2016). "On the Choi–Lam analogue of Hilbert's 1888 theorem for symmetric forms". 4413: 4404: 4372: 4265: 4054: 4020: 4088: 4147: 3718: 618: 3709:
was introduced in in order to establish whether a matrix form is SOS via an LMI.
4165: 60: 36: 4246: 1111:(LMI) feasibility test, which is a convex optimization problem. The expression 4364: 4139: 4080: 3828:
A noncommutative polynomial is SOS if there exists noncommutative polynomials
4292: 503: 719:{\displaystyle {\mathcal {L}}=\left\{L=L':~x^{\{m\}'}Lx^{\{m\}}=0\right\}.} 491: 4327: 4012: 231: 4231: 3997:"Ueber die Darstellung definiter Formen als Summe von Formenquadraten" 4214: 4120: 4319: 4104:"Sufficient conditions for a real polynomial to be a sum of squares" 3996: 4071: 28:. For representing an integer as a sum of squares of integers, see 70:
is sum of squares of forms (SOS) if and only if there exist forms
1201:{\displaystyle h(x)=x^{\{m\}'}\left(H+L(\alpha )\right)x^{\{m\}}} 442:{\displaystyle h(x)=x^{\{m\}'}\left(H+L(\alpha )\right)x^{\{m\}}} 4285:
Proceedings of the 42nd IEEE Conference on Decision and Control
4034:
Choi, M. D.; Lam, T. Y. (1977). "An old question of Hilbert".
3158: 629: 3788:. By analogy with the commutative case, the noncommutative 1308:{\displaystyle h(x)=x_{1}^{4}-x_{1}^{2}x_{2}^{2}+x_{2}^{4}} 3968:{\displaystyle f(X)=\sum _{i=1}^{k}h_{i}(X)^{T}h_{i}(X).} 2585:{\displaystyle \alpha =(1.18,-0.43,0.73,1.13,-0.37,0.57)} 2625:) (i.e., a matrix whose entries are forms) of dimension 285:-norm of its coefficient vector) by a sequence of forms 4247:"On convexification of some minimum distance problems" 4166:"An algorithm for sums of squares of real polynomials" 3813:
is evaluated at a symmetric noncommutative polynomial
3752:) and equipped with the involution , such that fixes 2801:{\displaystyle F(x)=\sum _{i=1}^{k}G_{i}(x)'G_{i}(x).} 2055: 1887: 1463: 1361: 482:
is a vector containing a base for the forms of degree
24:. For the sum of squares of consecutive integers, see 4245:
Chesi, G.; Tesi, A.; Vicino, A.; Genesio, R. (1999).
3880: 3834: 3572: 3529: 3509: 3329: 3309: 3155: 3126: 3008: 2980: 2837: 2715: 2647: 2530: 2489: 1847: 1658: 1621: 1580: 1321: 1223: 1117: 1074: 1027: 1007: 864: 844: 767: 734: 626: 594: 520: 455: 358: 291: 264: 144: 76: 581:{\displaystyle h(x)=x^{\left\{m\right\}'}Hx^{\{m\}}} 4251:Proceedings of the 5th European Control Conference 3967: 3866: 3701: 3556: 3515: 3482: 3315: 3293: 3141: 3112: 2986: 2966: 2800: 2697: 2584: 2516: 2475: 1833: 1633: 1607: 1566: 1307: 1200: 1095: 1057: 1013: 980: 850: 830: 753: 718: 609: 580: 474: 441: 310: 277: 212: 126: 3149:is a linear parameterization of the linear space 1652:Consider the form of degree 4 in three variables 1560: 1430: 831:{\displaystyle \sigma (n,m)={\binom {n+m-1}{m}},} 819: 792: 213:{\displaystyle h(x)=\sum _{i=1}^{k}g_{i}(x)^{2}.} 4253:. Karlsruhe, Germany: IEEE. pp. 1446–1451. 3795:are the noncommutative polynomials of the form 2641:is SOS if and only if there exist matrix forms 1217:Consider the form of degree 4 in two variables 4036:Queen's Papers in Pure and Applied Mathematics 8: 3676: 3670: 3605: 3599: 3503:is SOS if and only if there exists a vector 3254: 3248: 3208: 3202: 3087: 3081: 3041: 3035: 2941: 2935: 2870: 2864: 1874: 1868: 1348: 1342: 1193: 1187: 1145: 1138: 1001:is SOS if and only if there exists a vector 746: 740: 697: 691: 674: 667: 573: 567: 467: 461: 434: 428: 386: 379: 305: 292: 4343:Computational Optimization and Applications 4270:Proceedings of Symposia in Pure Mathematics 4287:. Maui, Hawaii: IEEE. pp. 4670–4675. 4354: 4213: 4184: 4129: 4119: 4070: 3947: 3937: 3921: 3911: 3900: 3879: 3858: 3839: 3833: 3688: 3669: 3617: 3598: 3571: 3528: 3508: 3360: 3328: 3308: 3266: 3247: 3220: 3201: 3157: 3156: 3154: 3125: 3099: 3080: 3053: 3034: 3007: 2979: 2953: 2934: 2882: 2863: 2836: 2831:) can be written according to the SMR as 2780: 2756: 2746: 2735: 2714: 2698:{\displaystyle G_{1}(x),\ldots ,G_{k}(x)} 2680: 2652: 2646: 2529: 2488: 2446: 2423: 2408: 2386: 2366: 2354: 2339: 2322: 2297: 2280: 2255: 2243: 2231: 2216: 2191: 2176: 2156: 2138: 2113: 2098: 2083: 2050: 2009: 2004: 1990: 1980: 1966: 1961: 1947: 1937: 1923: 1913: 1899: 1894: 1882: 1867: 1846: 1825: 1820: 1807: 1802: 1786: 1781: 1771: 1755: 1745: 1735: 1730: 1717: 1707: 1702: 1686: 1681: 1657: 1620: 1579: 1536: 1514: 1483: 1458: 1416: 1411: 1397: 1387: 1373: 1368: 1356: 1341: 1320: 1299: 1294: 1281: 1276: 1266: 1261: 1248: 1243: 1222: 1186: 1137: 1116: 1073: 1026: 1006: 889: 863: 843: 818: 791: 789: 766: 739: 733: 690: 666: 628: 627: 625: 593: 566: 540: 519: 460: 454: 427: 378: 357: 299: 290: 269: 263: 201: 185: 175: 164: 143: 127:{\displaystyle g_{1}(x),\ldots ,g_{k}(x)} 109: 81: 75: 3805:. When any real matrix of any dimension 4264:Choi, M.; Lam, T.; Reznick, B. (1995). 3987: 4266:"Sums of squares of real polynomials" 322:Square matricial representation (SMR) 16:This article is about representing a 7: 1574:Since there exists α such that 838:whereas the dimension of the vector 617:is a linear parameterization of the 4173:Journal of Pure and Applied Algebra 4059:Linear Algebra and Its Applications 3867:{\displaystyle h_{1},\ldots ,h_{k}} 3557:{\displaystyle H+L(\alpha )\geq 0.} 3523:such that the following LMI holds: 3002:is any symmetric matrix satisfying 2815:To establish whether a matrix form 1058:{\displaystyle H+L(\alpha )\geq 0,} 2517:{\displaystyle H+L(\alpha )\geq 0} 1608:{\displaystyle H+L(\alpha )\geq 0} 796: 14: 3995:Hilbert, David (September 1888). 502:), the prime ′ denotes the 311:{\displaystyle \{f_{\epsilon }\}} 222:Every form that is SOS is also a 43:(i.e. a homogeneous polynomial) 3825:is said to be matrix-positive. 4053:Goel, Charu; Kuhlmann, Salma; 3959: 3953: 3934: 3927: 3890: 3884: 3652: 3646: 3582: 3576: 3545: 3539: 3469: 3454: 3448: 3436: 3419: 3407: 3393: 3381: 3354: 3333: 3136: 3130: 3018: 3012: 2917: 2911: 2847: 2841: 2792: 2786: 2769: 2762: 2725: 2719: 2692: 2686: 2664: 2658: 2579: 2537: 2505: 2499: 2044: 2038: 1668: 1662: 1596: 1590: 1452: 1446: 1233: 1227: 1174: 1168: 1127: 1121: 1090: 1084: 1043: 1037: 972: 957: 943: 931: 914: 902: 883: 868: 783: 771: 604: 598: 530: 524: 415: 409: 368: 362: 198: 191: 154: 148: 121: 115: 93: 87: 30:Lagrange's four-square theorem 1: 4400:Hilbert's seventeenth problem 4186:10.1016/S0022-4049(97)83827-3 3819:positive semi-definite matrix 3772:and reverses words formed by 3713:Noncommutative polynomial SOS 22:Hilbert's seventeenth problem 4164:; Wörmann, Thorsten (1998). 3303:The dimension of the vector 1096:{\displaystyle H+L(\alpha )} 728:The dimension of the vector 337:is SOS amounts to solving a 326:To establish whether a form 4390:Sum-of-squares optimization 4441: 4102:Lasserre, Jean B. (2007). 3142:{\displaystyle L(\alpha )} 610:{\displaystyle L(\alpha )} 15: 4365:10.1007/s10589-012-9513-8 4308:The Annals of Mathematics 4140:10.1007/s00013-007-2251-y 4081:10.1016/j.laa.2016.01.024 1634:{\displaystyle \alpha =1} 754:{\displaystyle x^{\{m\}}} 475:{\displaystyle x^{\{m\}}} 4293:10.1109/CDC.2003.1272307 2987:{\displaystyle \otimes } 1109:linear matrix inequality 4425:Real algebraic geometry 4420:Homogeneous polynomials 3516:{\displaystyle \alpha } 3316:{\displaystyle \alpha } 1014:{\displaystyle \alpha } 851:{\displaystyle \alpha } 26:square pyramidal number 18:non-negative polynomial 3969: 3916: 3868: 3703: 3558: 3517: 3484: 3317: 3295: 3143: 3114: 2988: 2968: 2802: 2751: 2699: 2586: 2518: 2477: 1835: 1635: 1609: 1568: 1309: 1202: 1097: 1059: 1015: 982: 852: 832: 755: 720: 611: 582: 476: 443: 312: 279: 214: 180: 128: 4108:Archiv der Mathematik 4001:Mathematische Annalen 3970: 3896: 3869: 3790:symmetric polynomials 3732:noncommuting letters 3704: 3559: 3518: 3485: 3318: 3296: 3144: 3115: 2989: 2969: 2803: 2731: 2700: 2587: 2519: 2478: 1836: 1636: 1610: 1569: 1310: 1203: 1105:positive-semidefinite 1098: 1060: 1016: 983: 853: 833: 756: 721: 612: 583: 477: 444: 341:problem. Indeed, any 313: 280: 278:{\displaystyle l_{1}} 215: 160: 129: 3878: 3832: 3570: 3527: 3507: 3327: 3307: 3153: 3124: 3006: 2978: 2835: 2713: 2645: 2637:-dimensional vector 2528: 2487: 1845: 1656: 1619: 1578: 1319: 1221: 1115: 1072: 1025: 1005: 862: 842: 765: 732: 624: 592: 518: 453: 356: 289: 262: 230:is not always true, 142: 74: 66:-dimensional vector 4395:Positive polynomial 4272:. pp. 103–125. 4224:2007SIAMR..49..651L 3728:⟩ generated by the 2014: 1971: 1904: 1830: 1812: 1791: 1740: 1712: 1691: 1421: 1378: 1304: 1286: 1271: 1253: 339:convex optimization 226:, and although the 224:positive polynomial 4013:10.1007/bf01443605 3965: 3864: 3699: 3554: 3513: 3480: 3313: 3291: 3139: 3110: 2984: 2964: 2798: 2695: 2592:, it follows that 2582: 2514: 2473: 2464: 2017: 2000: 1957: 1890: 1831: 1816: 1798: 1777: 1726: 1698: 1677: 1641:, it follows that 1631: 1605: 1564: 1554: 1424: 1407: 1364: 1305: 1290: 1272: 1257: 1239: 1198: 1093: 1055: 1011: 978: 848: 828: 751: 716: 607: 578: 472: 439: 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Index

non-negative polynomial
Hilbert's seventeenth problem
square pyramidal number
Lagrange's four-square theorem
mathematics
form
degree
real
positive polynomial
converse
Hilbert
convex optimization
monomials
transpose
symmetric matrix
linear space
matrix
positive-semidefinite
linear matrix inequality
Kronecker product
free algebra
symmetric polynomials
positive semi-definite matrix
"Ueber die Darstellung definiter Formen als Summe von Formenquadraten"
doi
10.1007/bf01443605
S2CID
177804714
Reznick, Bruce
arXiv

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