第 17 课 · 量子信号处理——多项式变换与相位因子 · 模块三:现代算法体系

表示定理:三条引理的接力

  • 命题框:表示定理——$P$ 满足条件 ①②③ $\Leftrightarrow$ 存在 $\Phi \in \mathbb{R}^{d+1}$ 使 $[U_{QSP}(\Phi)]_{00} = P(x)$,且互补元为 $i\sqrt{1-x^2}\cdot Q(x)$,$(P, Q)$ 是可行对
  • 推导步骤(三引理接力):
    1. 引理 1·封闭性:$M(P_1,Q_1)\cdot M(P_2,Q_2) = M(P_1P_2 - s^2\cdot Q_1Q_2^*, P_1Q_2 + Q_1P_2^*)$($s^2 = 1-x^2$);且 $W = M(x, 1)$、$S(\phi) = M(e^{i\phi}, 0)$——电路层 ↔ 多项式对
    2. 引理 2·剥层:约束两端 $x^{2d}$ 系数比较得 $|p_d|^2 - |q_{d-1}|^2 = 0$ $\Rightarrow$ $|p_d| = |q_{d-1}| \ne 0$;取 $e^{2i\Phi_d} = p_d/q_{d-1}$,$(P, Q)$ 剥成层数 $d-1$ 的可行对 $(P', Q')$
    3. 引理 3·伴随:$g = 1 - P\cdot P^* \ge 0$ 且 $g(\pm 1) = 0$ $\Rightarrow$ $g$ 被 $(1-x^2)$ 整除;经 Fejér–Riesz 谱分解 $h(\cos\theta) = |Q(\cos\theta)|^2$ 造出补多项式 $Q$
    4. 归纳装配:基础 $n = 0$ 时 $Q = 0$、$P = e^{i\Phi_0}$;$\deg P \le n-2$ 时补 $[W\cdot S(0)]^2 = M(ix, -i)^2 = M(-1, 0) = -I$,用 $\Phi_0 \to \Phi_0 + \pi$ 抵消全局符号
    5. 离散性:每层剥除相位恰两个解(相差 $\pi$,对应全局符号 $\mp 1$,被末端吸收)——相位解集有限
  • 结果框:封闭性(电路 ↔ 多项式对)+ 剥层(逐层配平降次)+ 伴随($Q$ 存在)$\Rightarrow$ 可达集刻画 = 表示定理
类型definition-derivation(证明结构页)