양의 정부호 함수

수학에서, 양의 정부호 함수(영어: positive-definite function)는 음이 아닌 함수의 푸리에 변환으로 볼 수 있는 복소함수이다.

정의

국소 콤팩트 아벨 위상군 $(G,+)$ 위의 함수 $f\colon G\to \mathbb {C}$가 다음 성질을 만족시킨다면, $f$를 양의 정부호 함수라고 한다.

• (켤레 짝함수성) 모든 $g\in G$에 대하여, $f(-g)={\overline {f(g)}}$
• (준정부호성) 모든 유한 부분집합 $\{g_{1},\dots ,g_{n}\}\subset G$에 대하여, $n\times n$ 에르미트 행렬 $M_{ij}=f(g_{i}-g_{j})$가 양의 준정부호 행렬이다.

성질

보흐너 정리(영어: Bochner’s theorem)에 따라서, $G$ 위의 양의 정부호 함수의 푸리에 변환은 그 폰트랴긴 쌍대군 ${\hat {G}}$ 위의 양의 유한 보렐 측도를 이루며, 그 역 또한 성립한다.

양의 정부호 함수 $f,g$에 대하여,

• $a,b\in [0,\infty )$에 대하여, $af+bg$는 양의 정부호이다. 즉, 양의 정부호 함수들은 음이 아닌 계수의 선형결합에 대하여 닫혀 있다. 즉, 이들은 뿔(cone)을 이룬다.
• $fg$는 양의 정부호이다.
• ${\overline {f}}$는 양의 정부호이다.

모든 양의 정부호 함수 $f$에 대하여, 다음이 성립한다. (이는 양의 정부호 함수의 정의에서, $n=1,2$인 경우에서 유래한다.)

• $f(0)\geq 0$
• 모든 $g\in G$에 대하여, $|f(x)|\leq f(0)$

예

양의 정부호 함수의 대표적인 예는 유클리드 공간 $\mathbb {R} ^{n}$ 위의 가우스 핵

$\exp(-|x|^{2}/2\sigma )$

이다. 가우스 핵의 푸리에 변환은 다른 가우스 핵이므로, 보흐너 정리에 따라 이는 양의 정부호임을 쉽게 알 수 있다.

다른 예로는 $\mathbb {R}$ 위의 $\exp(-|x|)$, $\operatorname {sinc} ^{2}x$, 삼각형함수 $\operatorname {tri} (x)$ 등이 있다. 이들 역시 푸리에 변환을 통해 쉽게 확인할 수 있다. 실수가 아닌 양의 정부호 함수로는 $\exp(iax)$가 있다.

음이 아닌 상수함수 $f(x)=a$ ($a\geq 0$)는 자명하게 양의 정부호 함수이다. 이 경우, $n\times n$ 행렬 $f(x_{i}-x_{j})=a$의 모든 원소가 $a$이며, 이 행렬의 고윳값은 $an$ (중복도 1)과 $0$ (중복도 $n-1$)이다. 따라서 이 행렬은 양의 준정부호다.

참고 문헌

• Berg, Christian; Jens Peter Reus Christensen, Paul Ressel. 《Harmonic Analysis on Semigroups》. Graduate Texts in Mathematics (영어). Springer. 
• Sasvári, Z. (1994). 《Positive definite and definitizable functions》 (영어). Akademie Verlag. 
• Wells, J. H.; L. R. Williams (1975). 《Embeddings and extensions in analysis》. Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete (영어) 84. Springer. 

외부 링크

• “Positive-definite function”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Positive definite function”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.