An $n \times n$ matrix with $\pm 1$ entries which acts on $\mathbb{R}^n$ as a scaled isometry is called Hadamard. Such matrices exist in some, but not all dimensions. Combining number-theoretic and probabilistic tools we construct matrices with $\pm 1$ entries which act as approximate scaled isometries in $\mathbb{R}^n$ for all $n$. More precisely, the matrices we construct have condition numbers bounded by a constant independent of $n$. Using this construction, we establish a phase transition for the probability that a random frame contains a Riesz basis. Namely, we show that a random frame in $\mathbb{R}^n$ formed by $N$ vectors with independent identically distributed coordinates having a non-degenerate symmetric distribution contains many Riesz bases with high probability provided that $N \ge \exp(Cn)$. On the other hand, we prove that if the entries are subgaussian, then a random frame fails to contain a Riesz basis with probability close to $1$ whenever $N \le \exp(cn)$, where $c<C$ are constants depending on the distribution of the entries.


翻译:一个$n \times n$的矩阵,其元素为$\pm 1$,且在$\mathbb{R}^n$上作用为缩放等距变换,称为哈达玛矩阵。这类矩阵存在于部分维度中,但并非所有维度。结合数论与概率论工具,我们构造了元素为$\pm 1$的矩阵,这些矩阵在所有$n$的$\mathbb{R}^n$中均能作为近似缩放等距变换。更精确地说,我们构造的矩阵条件数被一个与$n$无关的常数所界。利用这一构造,我们建立了随机框架包含Riesz基概率的相变现象。具体而言,我们证明:由$N$个独立同分布坐标向量(服从非退化对称分布)在$\mathbb{R}^n$中形成的随机框架,当$N \ge \exp(Cn)$时,以高概率包含大量Riesz基;另一方面,若坐标满足亚高斯分布,当$N \le \exp(cn)$时(其中$c<C$为依赖于分布常数的参数),该随机框架以接近1的概率不包含任何Riesz基。

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