<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">jamp</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Journal of Applied Mathematics and Physics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2327-4379</issn>
      <issn pub-type="ppub">2327-4352</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/jamp.2026.148147</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">jamp-153323</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Geometric Distortion of Numerical Ranges under Similarity and Metric Similarity</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Mwangi</surname>
            <given-names>Faith M.</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Nzimbi</surname>
            <given-names>Benard M.</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Luketero</surname>
            <given-names>Stephen W.</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> Department of Mathematics, University of Nairobi, Nairobi, Kenya </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The authors declare no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>10</day>
        <month>08</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>08</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>14</volume>
      <issue>08</issue>
      <fpage>2989</fpage>
      <lpage>3008</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>02</day>
          <month>07</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>18</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>21</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/jamp.2026.148147">https://doi.org/10.4236/jamp.2026.148147</self-uri>
      <abstract>
        <p>We study the geometric distortion of numerical ranges of complex matrices under similarity and metric similarity transformations, measuring that distortion through the condition number of the transforming matrix. Four results are obtained. First, we prove a two-sided bound on the numerical radius of a similarity transform, expressed in terms of the condition number, and we give an explicit example showing that the corresponding set inclusion of the numerical range into a dilate of the convex hull of the prototype range fails in general: similarity changes the shape of the numerical range, and not merely its size. Second, for two-by-two nilpotent matrices under diagonal similarity, we obtain an exact scale factor, namely the modulus of the ratio of the two diagonal entries, which shows that the conjectured optimal constant in the first result, the condition number itself, is attained. Third, we prove that the unitary factor in a metric similarity leaves the numerical range unchanged, so that metric similarity and ordinary similarity produce identical numerical-range distortion. Fourth, we resolve completely, in the two-by-two case, the question of when the normalized numerical ranges of the two matrices are related by a rotation: this happens precisely when the matrix is nilpotent, or the two numerical ranges coincide, and the rotation angle can then always be taken to be zero. Throughout, the spectrum is preserved while the numerical range is distorted in a manner controlled, but in general not exactly described, by the condition number.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Numerical Range</kwd>
        <kwd>Numerical Radius</kwd>
        <kwd>Similarity Transformation</kwd>
        <kwd>Metric Similarity</kwd>
        <kwd>Condition Number</kwd>
        <kwd>Geometric Similarity</kwd>
        <kwd>Similitude</kwd>
        <kwd>Operator Theory</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>The numerical range of a linear operator, introduced independently by Toeplitz [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] and Hausdorff [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], has become one of the most important tools in operator theory. For an operator <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> acting on a complex Hilbert space <inline-formula><mml:math><mml:mi> H </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the numerical range </p>
      <disp-formula id="FD1">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>:</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>H</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>‖</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>‖</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>encodes fundamental information about the operator’s action, providing a bridge between algebraic properties and geometric structure. Comprehensive treatments can be found in Gustafson and Rao [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] and Halmos [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
      <p><bold>Scope of the paper.</bold> Throughout this paper, we work in the finite-dimensional setting: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> H </mml:mi><mml:mo> ≅ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the standard inner product, and all operators are identified with matrices in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This restriction matters for the spectral inclusion: for a matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the numerical range <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is compact and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; for a general bounded operator on an infinite-dimensional Hilbert space, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> need not be closed and only the inclusion <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds ([<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], Section 1.2). All results in Sections 4 - 9 are stated and proved for matrices.</p>
      <p>The Toeplitz-Hausdorff theorem [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], which establishes that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is always convex, represents one of the earliest triumphs of functional analysis. The numerical range contains the spectrum <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (in the finite-dimensional setting adopted here) and provides bounds on the operator norm through the numerical radius <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> max </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which satisfies the fundamental inequalities </p>
      <disp-formula id="FD2">
        <label>(1)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>‖</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>‖</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>‖</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>‖</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>as established in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Refinements of these inequalities have been studied extensively by Kittaneh [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] and others.</p>
      <p>The behavior of numerical ranges under operator transformations reveals deep structural properties. Under unitary equivalence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> U </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the numerical range is preserved: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This invariance, discussed in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], reflects the geometric nature of unitary transformations as rotations and reflections of the underlying space. However, the situation becomes considerably more subtle for similarity transformations <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> is merely invertible rather than unitary.</p>
      <p>This paper investigates the nature of numerical-range distortion under similarity and the more general metric similarity. While similarity preserves the spectrum [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], it distorts the numerical range in a manner that can be controlled through the condition number of the similarity transformation. We establish rigorous two-sided bounds on the distortion of the numerical radius, extending the circle of ideas around generalized inclusion relations of Goldberg and Straus [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], and, for important special cases, exact formulas. We emphasize at the outset what our bounds do <bold>not</bold> say: the numerical range <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is in general not contained in any fixed dilate <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mtext> conv </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the prototype region (Example 4.1), so the distortion is genuinely a distortion of size and shape, not a radial rescaling.</p>
      <p>The study is motivated by applications in numerical analysis, where condition numbers govern the stability of computational algorithms [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], and by connections to the theory of <inline-formula><mml:math><mml:mi> α </mml:mi></mml:math></inline-formula> -isometries and geometric similarity (similitude) in metric spaces [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Our prototype-model framework provides a natural geometric language: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> serves as a prototype whose size, and in special cases exact shape, determines that of the model <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Preliminaries</title>
      <p>Throughout, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> H </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with inner product <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> linear in the first argument, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> H </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the algebra of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> complex matrices. Standard references for this section are [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>].</p>
      <sec id="sec2dot1">
        <title>2.1. Numerical Range and Its Properties</title>
        <p><bold>Definition</bold><bold>2</bold><bold>.1</bold><bold>.</bold> ([<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] Definition 1.1.1). For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the numerical range is the set</p>
        <disp-formula id="FD3">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>∈</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ℂ</mml:mi>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and the numerical radius is </p>
        <disp-formula id="FD4">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>max</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mi>z</mml:mi>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>∈</mml:mo>
                  <mml:mi>W</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>max</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Since the unit sphere of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is compact, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a compact subset of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℂ </mml:mi></mml:math></inline-formula> and the maxima above are attained. The following classical results will be used throughout.</p>
        <p><bold>Theorem</bold><bold>2</bold><bold>.2</bold>(Toeplitz-Hausdorff, [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]). <italic>For any</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>the numerical range</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a convex subset of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ℂ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Theorem</bold><bold>2</bold><bold>.3</bold><bold>.</bold> ([<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], Theorem 1.2.1). <italic>For any</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>the spectrum satisfies</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Remark</italic>2.4. Theorem 2.3 is a genuinely finite-dimensional statement. For a bounded operator <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> on an infinite-dimensional Hilbert space, the correct general inclusion is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the closure cannot be omitted: the unilateral shift <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> has <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> D </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the open unit disk. This is the reason for the finite-dimensional scope fixed in the Introduction.</p>
        <p><bold>Theorem</bold><bold>2</bold><bold>.5</bold>(Elliptical range theorem, ([<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] Theorem 1.3.1)). <italic>For any</italic> 2 × 2 <italic>matrix</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>with eigenvalues</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>the numerical range</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a</italic>(<italic>possibly</italic><italic>degenerate</italic>) <italic>closed elliptical disk with foci at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><italic>minor axis of leng</italic><italic>th</italic></p>
        <disp-formula id="FD5">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>tr</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>λ</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>λ</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec2dot2">
        <title>2.2. Similarity Relations</title>
        <p><bold>Definition 2.6</bold> ([<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] Chapter 1). Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be invertible.</p>
        <p>1) <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> are <italic>similar</italic>, written <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>2) <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> are <italic>unitarily equivalent</italic>, written <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ≅ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> U </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some unitary <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>3) <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> are <italic>metrically similar</italic>, written <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> m </mml:mtext><mml:mo> . </mml:mo><mml:mtext> s </mml:mtext><mml:mo> . </mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some unitary <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> and positive invertible <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The chain of implications <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ≅ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ⇒ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> m </mml:mtext><mml:mo> . </mml:mo><mml:mtext> s </mml:mtext><mml:mo> . </mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ⇒ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is strict in general. Each relation preserves the spectrum: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ([<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], Theorem 1.3.20). However, their effects on the numerical range differ fundamentally, as noted in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>].</p>
        <p><bold>Definition</bold><bold>2</bold><bold>.7</bold>([<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] Section 5.8). The condition number of an invertible <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The condition number satisfies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with equality if and only if <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a positive scalar multiple of a unitary matrix [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. For diagonal matrices <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi> max </mml:mi></mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi> min </mml:mi></mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every scalar <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the condition number is a scale-invariant quantity, and correspondingly <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> implement the same similarity transformation.</p>
        <p>We shall also need the classical Kantorovich inequality; see [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] (Section 7.4) or [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>].</p>
        <p><bold>Lemma</bold><bold>2</bold><bold>.8</bold>(Kantorovich inequality). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be positive definite with</italic><italic>spectrum contained in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>Then for every unit vector</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,</p>
        <disp-formula id="FD6">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>A</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec2dot3">
        <title>2.3. Geometric Similarity</title>
        <p><bold>Definition 2.9</bold> ([<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]). Two sets <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are <italic>geometrically similar</italic> (or <italic>similitudes</italic>) if there exist <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that</p>
        <disp-formula id="FD7">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>B</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:msup>
                <mml:mtext>e</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>α</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mtext>e</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>∈</mml:mo>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The parameters are: <inline-formula><mml:math><mml:mi> α </mml:mi></mml:math></inline-formula> (scale factor), <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> (rotation angle), and <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> (translation vector). We call <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> the <italic>prototype</italic> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> the <italic>model</italic>. </p>
        <p>For geometrically similar sets, the length ratio is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the area ratio is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This framework allows us to describe numerical-range distortion in precise geometric terms—when an exact similitude relation actually holds, which, as we shall see, is the exception rather than the rule.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Numerical Range Examples</title>
      <p>We begin by illustrating the variety of numerical-range shapes through representative examples, following the exposition in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. These will serve as test cases for our distortion analysis.</p>
      <p><bold>Example</bold><bold>3.1</bold> (Nilpotent matrix, [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] Example 1.3.4). The matrix <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is nilpotent with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Its numerical range is the closed disk</p>
      <disp-formula id="FD8">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℂ</mml:mi>
                <mml:mo>:</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>≤</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>/</mml:mo>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>centered at the origin with radius <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . More generally, for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> a </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This example is fundamental because <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a perfect disk, making distortion effects clearly visible. The set is plotted in <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>.</p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId219.jpeg?20260821031154" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 1</bold><bold>.</bold> Numerical range of the nilpotent matrix <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The numerical range is a disk of radius 1/2 centered at the origin. The sole eigenvalue <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lies at the center.</p>
      <p><bold>Example</bold><bold>3.2</bold> (Hermitian matrix, [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] Theorem 1.2.2). For a Hermitian matrix <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> * </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , all eigenvalues <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are real, and</p>
      <disp-formula id="FD9">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>λ</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>λ</mml:mi>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>λ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>min</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>λ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>max</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The numerical range degenerates to a line segment on the real axis, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> max </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref> illustrates this degenerate case. </p>
      <fig id="fig2">
        <label>Figure 2</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId232.jpeg?20260821031155" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 2</bold><bold>.</bold> Numerical range of a Hermitian matrix. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , all eigenvalues are real and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the line segment connecting the extreme eigenvalues.</p>
      <p><bold>Example</bold><bold>3.3</bold> (Upper triangular matrix, [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] Theorem 1.3.1). For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the eigenvalues are <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By the elliptical range theorem, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an elliptical disk with foci at 1 and 3. The semi-axes depend on the off-diagonal entry: larger values produce rounder ellipses. See <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>. </p>
      <fig id="fig3">
        <label>Figure 3</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId245.jpeg?20260821031154" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 3</bold><bold>.</bold> Numerical range of the upper triangular matrix <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The elliptical disk has foci at the eigenvalues <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Example</bold><bold>3</bold><bold>.</bold><bold>4</bold> (3 × 3 matrix). For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , numerical ranges exhibit richer geometry. The matrix </p>
      <disp-formula id="FD10">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>T</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>has eigenvalues 1, 2, 3. The numerical range <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a convex set containing these points, with a boundary that may have both flat and curved portions; it is displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>. </p>
      <fig id="fig4">
        <label>Figure 4</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId258.jpeg?20260821031154" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 4</bold><bold>.</bold> Numerical range of a 3 × 3 upper triangular matrix with eigenvalues at 1, 2, 3. The boundary exhibits curvature characteristic of higher-dimensional numerical ranges.</p>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Distortion under Similarity Transformations</title>
      <p>We now establish the fundamental results on numerical-range distortion under similarity. Before stating the main theorem, we record two elementary observations and one cautionary example. The example shows that the most naive picture of distortion—a radial dilation of the numerical range by the condition number—is false, and thereby delimits what any correct theorem can assert.</p>
      <p><bold>Example</bold><bold>4.1</bold> (No inclusion <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mtext> conv </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). Let</p>
      <disp-formula id="FD11">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>T</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>X</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mi>T</mml:mi>
            <mml:mi>X</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Here, <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is Hermitian, so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mtext> conv </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is again a subset of the real axis, for any value of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . On the other hand, by the elliptical range theorem (Theorem 2.5), <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ellipse with foci ±1 and minor axis <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mtext> tr </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn> 6 </mml:mn><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : a nondegenerate elliptical disk reaching the points <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ± </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the imaginary axis. Hence </p>
      <disp-formula id="FD12">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:menclose notation="updiagonalstrike">
              <mml:mo>⊆</mml:mo>
            </mml:menclose>
            <mml:mi>λ</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mtext>conv</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>W</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>for</mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>every</mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>λ</mml:mi>
            <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            <mml:mn>0.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>No scalar multiple of the prototype region can contain the model region: similarity can genuinely change the shape and dimension of the numerical range, not merely its size. Any correct distortion theorem must therefore bound the <italic>size</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> —for instance, through the numerical radius—rather than assert a set inclusion into a dilate of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <sec id="sec4dot1">
        <title>4.1. The Distortion Bound</title>
        <p>The following theorem is our replacement for the set-inclusion statement discussed above. It gives a rigorous, dimension-free bound for the numerical radius of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , sharp in the unitary case <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Theorem</bold><bold>4.2</bold> (Numerical radius distortion bound). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be invertible</italic>,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The</italic><italic>n</italic></p>
        <disp-formula id="FD13">
          <label>(2)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>and consequent</italic><italic>ly</italic></p>
        <disp-formula id="FD14">
          <label>(3)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⊆</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>∈</mml:mo>
                  <mml:mi>ℂ</mml:mi>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mi>z</mml:mi>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>≤</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>κ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mi>κ</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>X</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Proof</italic>. <italic>Step</italic>1:<italic>reduction to a positive similarity</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the polar decomposition, with <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> unitary and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> positive definite. Then</p>
        <disp-formula id="FD15">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mi>U</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:msup>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msup>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>U</mml:mi>
                <mml:mtext>*</mml:mtext>
              </mml:msup>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>U</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (unitary invariance), while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> have the same singular values. We may therefore assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive definite. Moreover, since <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> induce the same similarity for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we may normalize <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> so that its spectrum satisfies </p>
        <disp-formula id="FD16">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>σ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⊆</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mo>/</mml:mo>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mo>/</mml:mo>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>κ</mml:mi>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>κ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>κ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Step</italic>2:<italic>a constrained bilinear form</italic>. Fix a unit vector <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> is self-adjoint,</p>
        <disp-formula id="FD17">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>z</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>P</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>P</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>P</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>P</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The vectors <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfy the two key constraints </p>
        <disp-formula id="FD18">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>P</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>P</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and, by the Kantorovich inequality (Lemma 2.8) applied to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> P </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whose spectrum lies in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <disp-formula id="FD19">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>P</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>P</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>κ</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mi>κ</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Step</italic>3:<italic>balancing</italic>. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , replacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> changes neither <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Choosing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we may assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where </p>
        <disp-formula id="FD20">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>the lower bound following from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Cauchy-Schwarz).</p>
        <p><italic>Step</italic>4:<italic>orthogonal decomposition</italic>. Write <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> β </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ⊥ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and</p>
        <disp-formula id="FD21">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>w</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mi>β</mml:mi>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Hence </p>
        <disp-formula id="FD22">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>z</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>β</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>For the first term, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so </p>
        <disp-formula id="FD23">
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>For the second term, using <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> U </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from (1),</p>
        <disp-formula id="FD24">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>w</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mo>‖</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD25">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>κ</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>κ</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>/</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD26">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>κ</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>κ</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>κ</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>κ</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>so</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msqrt>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Combining the two estimates, </p>
        <disp-formula id="FD27">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>As <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was arbitrary, (2) and (3) follow. □</p>
        <p><bold>Corollary</bold><bold>4.3</bold> (Two-sided distortion bound). <italic>With</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and the</italic><italic>hypotheses of Theorem</italic>4.2,</p>
        <disp-formula id="FD28">
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>κ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>κ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Proof</italic>. The upper bound is Theorem 4.2. For the lower bound, apply Theorem 4.2 to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , noting <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p><italic>Remark</italic> 4.4. Three comments on the quality of the bound <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>1) At <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> a scalar multiple of a unitary), <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the theorem recovers the exact unitary invariance <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The bound is therefore sharp at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>2) The bound always improves the naive estimate obtained from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : indeed <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> κ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>3) The nilpotent example of Section 5 attains the ratio <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so the optimal constant lies between <inline-formula><mml:math><mml:mi> κ </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the gap is less than 1, uniformly in <inline-formula><mml:math><mml:mi> κ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Extensive numerical experiments (random search over <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and Nelder-Mead optimization of the ratio <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over pairs of complex 2 × 2 matrices, which converges to 1 from below) support the following conjecture.</p>
        <p><bold>Conjecture</bold><bold>4.5</bold> (Optimal distortion constant). <italic>For all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and invertible</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,</p>
        <disp-formula id="FD29">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>κ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By Theorem 5.1 below, the constant <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would be optimal.</p>
        <p><italic>Remark</italic> 4.6. The bound in Corollary 0.16 is a statement about the numerical radius—the size of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> —and, by (3), about containment of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in a disk. In view of Example 4.1, this is the strongest type of containment statement available at this level of generality: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> need not be contained in any dilate of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> conv </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> itself. The actual scale factor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on the interplay between the structure of <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> and the geometry of <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; in Section 5, we establish exact formulas for special cases.</p>
      </sec>
      <sec id="sec4dot2">
        <title>4.2. Computational Examples</title>
        <p>We illustrate the distortion effect through computed examples.</p>
        <p><bold>Example</bold><bold>4.7</bold> (Expansion, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then</p>
        <disp-formula id="FD30">
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>/</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so the scale factor is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The condition number is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the conjectured optimal bound <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is attained exactly, and the proven bound <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2.5 </mml:mn><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds with room to spare. <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref> compares the two numerical ranges. </p>
        <p><bold>Example</bold><bold>4.8</bold> (Contraction, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.5 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). With the same <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> but <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0.5 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn> 0.5 </mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Now <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.25 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.5 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , giving <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The scale factor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0.5 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> demonstrates that contraction is governed by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; see <xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref>. </p>
        <fig id="fig5">
          <label>Figure 5</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId493.jpeg?20260821031155" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 5.</bold> Similarity with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : the numerical range expands by factor 2. Blue shows <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (prototype), red shows <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (model). The scale factor equals <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <fig id="fig6">
          <label>Figure 6</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId502.jpeg?20260821031155" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 6</bold><bold>.</bold> Similarity with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0.5 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : the numerical range contracts by a factor of 0.5. The scale factor equals the diagonal parameter <inline-formula><mml:math><mml:mi> α </mml:mi></mml:math></inline-formula> , not <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Example</bold><bold>4.9</bold> (Transpose similarity). For any matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , its transpose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is similar to <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; this classical result ([<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], Corollary 3.2.4) has implications for numerical ranges. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the similarity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Remarkably, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mn> 5.415 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , reflecting the fact that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all matrices, as noted in [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. This illustrates that the scale factor can be exactly 1 even when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> I </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the two coincident numerical ranges are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig7">Figure 7</xref>. </p>
        <fig id="fig7">
          <label>Figure 7</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId531.jpeg?20260821031155" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 7</bold><bold>.</bold> A matrix and its transpose have identical numerical ranges despite being related by a non-trivial similarity. This illustrates that the scale factor can be exactly 1 even when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> I </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. Exact Scale Factor for Nilpotent Matrices</title>
      <p>Our computational investigations reveal an exact formula for the scale factor in the nilpotent case, demonstrating that the constant <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Conjecture 4.5 is attained.</p>
      <p><bold>Theorem</bold><bold>5.1</bold> (Exact scale factor). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> a </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> × </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>nilpotent matrix with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>th</italic><italic>en</italic></p>
      <disp-formula id="FD31">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Consequently</italic>, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>are concentric disks with</italic><italic>length ratio</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and area ratio</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Proof</italic>. Direct computation yields </p>
      <disp-formula id="FD32">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mi>T</mml:mi>
            <mml:mi>X</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>d</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>/</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>d</mml:mi>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>By Example 31, the numerical range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> b </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with numerical radius <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore</p>
      <disp-formula id="FD33">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>/</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>/</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and the ratio is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Corollary</bold><bold>5.2</bold> (Scale-invariant sharpness). <italic>For the nilpotent case with diagonal similarity</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>we have</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> max </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> min </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>a</italic><italic>nd</italic></p>
      <disp-formula id="FD34">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr columnalign="left">
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>κ</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>if</mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>d</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>≥</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>d</mml:mi>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr columnalign="left">
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>κ</mml:mi>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>X</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>if</mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>d</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>≤</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>d</mml:mi>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>.</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>In particular</italic>,<italic>the conjectured bound</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is attained with equality whenever</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>and the lower extreme</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is attained whenever</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>Both statements are invariant under rescaling</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), <italic>as they must be</italic>,<italic>since</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>implement the same similarity</italic>. (<italic>When</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>the two cases agree</italic>: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .)</p>
      <p><italic>Proof</italic>. Immediately from Theorem 5.1 and </p>
      <disp-formula id="FD35">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>κ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>max</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>min</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>:</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><italic>Remark</italic> 5.3. Theorem 5.1 reveals that for nilpotent matrices, the scale factor depends on the ratio of the diagonal entries, not on their individual magnitudes or on the operator norms separately. This geometric insight is obscured by condition-number bounds, which treat expansion and contraction asymmetrically.</p>
      <p><bold>Table 1</bold> records the computed scale factors for a range of values of <inline-formula><mml:math><mml:mi> α </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <xref ref-type="fig" rid="fig8">Figure 8</xref> plots them against the prediction of Theorem 5.1.</p>
      <p><bold>Table 1</bold><bold>.</bold> Scale-factor analysis for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The scale factor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> exactly, confirming Theorem 5.1. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) the ratio equals <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> it equals <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , in accordance with Corollary 5.2.</p>
      <table-wrap id="tbl1">
        <label>Table 1</label>
        <table>
          <tbody>
            <tr>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>X</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>κ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>w</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>S</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>/</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>w</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
            </tr>
            <tr>
              <td>0.25</td>
              <td>1.000</td>
              <td>4.000</td>
              <td>4.000</td>
              <td>0.250</td>
              <td>0.25</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>0.50</td>
              <td>1.000</td>
              <td>2.000</td>
              <td>2.000</td>
              <td>0.500</td>
              <td>0.50</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>1.00</td>
              <td>1.000</td>
              <td>1.000</td>
              <td>1.000</td>
              <td>1.000</td>
              <td>1.00</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>2.00</td>
              <td>2.000</td>
              <td>1.000</td>
              <td>2.000</td>
              <td>2.000</td>
              <td>2.00</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>4.00</td>
              <td>4.000</td>
              <td>1.000</td>
              <td>4.000</td>
              <td>4.000</td>
              <td>4.00</td>
            </tr>
          </tbody>
        </table>
      </table-wrap>
      <p><bold>Limitations of the exact analysis.</bold> We emphasize the scope of what has been proved in this section. The exact distortion formula of Theorem 5.1, and the resulting exact similitude between <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , are established only for 2 × 2 nilpotent matrices under diagonal similarity. In this very special situation, both numerical ranges are disks centered at the origin, so size determines shape. For general matrices <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> and general invertible <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> , our results (Theorem 4.2, Corollary 4.3) are bounds on the numerical radius, not a geometric classification of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : Example 4.1 shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> may fail to be geometrically similar to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in any sense—indeed, a segment may deform into a genuinely two-dimensional ellipse. Section 9 makes this rigidity phenomenon precise in the 2 × 2 case. A full geometric classification of the possible pairs <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> remains open.</p>
      <fig id="fig8">
        <label>Figure 8</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId654.jpeg?20260821031156" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 8.</bold> Systematic verification of Theorem 5.1. For each value of <inline-formula><mml:math><mml:mi> α </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the computed scale factor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equals <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> exactly.</p>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>6. Metric Similarity</title>
      <p>We now extend our analysis to metric similarity, establishing a fundamental invariance result. Metric similarity, which combines similarity with unitary equivalence, arises naturally in the study of operator algebras and has connections to the polar decomposition [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>].</p>
      <sec id="sec6dot1">
        <title>6.1. The Invariance Theorem</title>
        <p><bold>Theorem</bold><bold>6.1</bold> (Metric similarity invariance). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be positive invertible</italic>,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be unitary</italic>.<italic>The</italic><italic>n</italic></p>
        <disp-formula id="FD36">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>U</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>The unitary component</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>has no effect on the numerical range</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. For any matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> and unitary <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : the substitution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shows that as <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> ranges over unit vectors so does <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and </p>
        <disp-formula id="FD37">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>U</mml:mi>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mtext>*</mml:mtext>
                  </mml:msup>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Applying this with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields the result. □</p>
        <p><bold>Corollary</bold><bold>6.2.</bold><italic>For numerical-range analysis</italic>,<italic>metric similarity and ordinary similarity are equivalent</italic>: </p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> m </mml:mtext><mml:mo> . </mml:mo><mml:mtext> s </mml:mtext><mml:mo> . </mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> ⇒ </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for some positive</italic>invertible <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>All results established for similarity in Sections 4-5 apply unchanged to metric similarity.</p>
      </sec>
      <sec id="sec6dot2">
        <title>6.2. Computational Verification</title>
        <p>To verify Theorem 6.1 computationally, we tested five different unitary matrices <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> with the same positive <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : 1) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> I </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (identity); 2) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (permutation); 3) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (diagonal); 4) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> i </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> i </mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (complex); (v) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a random unitary drawn from Haar measure. In all cases, the computed numerical radius was <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1.000000 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , confirming the theorem. <xref ref-type="fig" rid="fig9">Figure 9</xref> superimposes the numerical ranges obtained under ordinary and metric similarity for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> U </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <xref ref-type="fig" rid="fig10">Figure 10</xref> reports the outcome for all five unitaries.</p>
        <fig id="fig9">
          <label>Figure 9</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId708.jpeg?20260821031157" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 9</bold><bold>.</bold> Metric similarity analysis. The numerical ranges <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (ordinary similarity) and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (metric similarity) are identical. The numerical radii satisfy <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> exactly.</p>
        <fig id="fig10">
          <label>Figure 10</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724810-rId715.jpeg?20260821031156" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 10</bold><bold>.</bold> Verification with multiple unitary matrices. All five choices of <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> produce identical numerical radius <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1.0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , confirming that <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> has no effect on the numerical range.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec7">
      <title>7. Comparison of Equivalence Relations</title>
      <p>We summarize in <bold>Table 2</bold> the effects of the three equivalence relations on key operator-theoretic quantities. This classification extends the systematic study of numerical-range preservers initiated in [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] and connects to the broader theory of operator equivalences in [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
      <p><bold>Table 2</bold><bold>.</bold> Comparison of equivalence relations and their preservation properties.</p>
      <table-wrap id="tbl2">
        <label>Table 2</label>
        <table>
          <tbody>
            <tr>
              <td>Relation</td>
              <td>Definition</td>
              <td>Spectrum</td>
              <td>Num. Range</td>
              <td>Num. Radius</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Unitary Equivalence</td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>U</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                      <mml:mi>U</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Preserved</td>
              <td>Preserved</td>
              <td>Preserved</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Metric Similarity</td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mi>U</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>U</mml:mi>
                        <mml:mtext>*</mml:mtext>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Preserved</td>
              <td>Distorted</td>
              <td>Distorted</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Similarity</td>
              <td>
                <inline-formula>
                  <mml:math>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:math>
                </inline-formula>
              </td>
              <td>Preserved</td>
              <td>Distorted</td>
              <td>Distorted</td>
            </tr>
          </tbody>
        </table>
      </table-wrap>
      <p>The spectrum <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is preserved under all three relations because similar matrices have identical characteristic polynomials ([<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], Theorem 1.3.20). However, the numerical range, being defined through the inner-product structure, is sensitive to non-unitary transformations [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>].</p>
      <p><bold>Theorem</bold><bold>7.1</bold> (Distortion hierarchy). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be related to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>by one of the three equivalence relations</italic>.<italic>With</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : </p>
      <p>(i) <italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> U </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<italic>unitary equivalence</italic>),<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>(ii) <italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<italic>metric similarity</italic>), <italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>an</italic><italic>d</italic></p>
      <disp-formula id="FD38">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>κ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>(iii) <italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<italic>similarity</italic>), <italic>the same bounds hold</italic>.</p>
      <p><italic>Proof</italic>. (1) is classical; (iii) is Corollary 4.3; (ii) follows from (iii) together with Theorem 6.1. □</p>
      <p>The identity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shows that metric similarity factors through ordinary similarity for numerical-range purposes. The unitary component affects the eigenvector structure but not the numerical range.</p>
    </sec>
    <sec id="sec8">
      <title>8. The Prototype-Model Framework</title>
      <p>Our results admit a natural geometric interpretation through the lens of similitude, connecting to the theory of self-similar sets developed by Hutchinson [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and the geometric study of convex sets [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>].</p>
      <p><bold>Definition</bold><bold>8.1.</bold> Given <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we call <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the prototype and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the model. The similarity transformation <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> induces a quantitative relationship between these sets characterized by:</p>
      <p>(i) <italic>Scale factor</italic>: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which by Corollary 4.3 satisfies </p>
      <disp-formula id="FD39">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>α</mml:mi>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>κ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>κ</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>κ</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>κ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>(ii) <italic>Length ratio</italic>: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>area ratio</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whenever <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are in fact geometrically similar in the sense of Definition 2.9. </p>
      <p>For nilpotent matrices with diagonal <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> , Theorem 5.1 shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are exact similitudes (concentric disks) with scale factor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so the length and area ratios in (ii) are meaningful and computable. In general, however, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> need not be similar to one another: Example 4.1 exhibits a similarity carrying a line segment to a nondegenerate elliptical disk, and Section 9 shows that for 2 × 2 matrices with distinct eigenvalues, an exact similitude relation forces <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Accordingly, in the general case, the prototype-model relationship must be understood through the proven numerical-radius bounds: the model’s size is controlled by </p>
      <disp-formula id="FD40">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>κ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD41">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⊆</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℂ</mml:mi>
                <mml:mo>:</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>≤</mml:mo>
                <mml:mi>g</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>κ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>X</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and not by any radial containment between <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> themselves. In particular, the containments <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> asserted in an earlier version of this work are false in general and have been withdrawn; Example 4.1 is a counterexample to both inclusions.</p>
    </sec>
    <sec id="sec9">
      <title>9. The Rotation Question: Partial Results and a Counterexample</title>
      <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , write </p>
      <disp-formula id="FD42">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mo>˜</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>W</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mo>˜</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>W</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>for the numerical ranges normalized to unit numerical radius (assuming <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; note <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> iff <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> iff <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). An earlier version of this work conjectured, on visual evidence, that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some rotation angle <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> depending on <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> . In this section we settle the question completely in the 2 × 2 case: the conjecture holds—trivially, and with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> —for nilpotent <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> , but fails in general, and we characterize exactly when it holds. The key mechanism is a rigidity phenomenon: because similarity preserves eigenvalues, and eigenvalues are the foci of the elliptical numerical range, an exact similitude relation between <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is severely constrained.</p>
      <p><bold>Proposition</bold><bold>9.1</bold> (Nilpotent case: the conjecture holds with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be nilpotent</italic>, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be invertible</italic>.<italic>Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is nilpotent</italic>,<italic>both</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>are closed disks centered at the origin</italic>,<italic>an</italic><italic>d</italic></p>
      <disp-formula id="FD43">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mo>˜</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>W</mml:mi>
              <mml:mo>˜</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi mathvariant="double-struck">D</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> is nilpotent since similarity preserves the characteristic polynomial.Every nonzero nilpotent <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is unitarily equivalent to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> b </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Schur triangularization), so by Example 0.10, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the closed disk of radius <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> centered at 0. Normalizing by the numerical radius yields the closed unit disk in both cases. □</p>
      <p><bold>Proposition</bold><bold>9.2</bold> (Rigidity for distinct eigenvalues). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>have dis</italic><italic>tinct eigenvalues</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be invertible</italic>,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The following are equivalent</italic>: </p>
      <p>(a) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for some</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a similitude of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ); </p>
      <p>(b) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; </p>
      <p>(c) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mtext> tr </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> tr </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><italic>Proof</italic>. (b)<inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇒ </mml:mo></mml:math></inline-formula> (a) is trivial. For (a)<inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇒ </mml:mo></mml:math></inline-formula> (b): by Theorem 2.5, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are (possibly degenerate) elliptical disks with the same foci <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . A similitude <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> maps an elliptical disk to an elliptical disk and maps foci to foci (also in the degenerate case, where the segment’s endpoints are the foci). Hence, the similitude in (a) maps <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> onto <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Comparing the distances between the foci gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the map is an isometry <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> fixing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> setwise. If it fixes each focus, then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forces <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the map is the identity. If it swaps the foci, then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forces <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., the point reflection through the midpoint <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . An elliptical disk is centrally symmetric about its center, which is the midpoint of its foci; hence, in either case, the image of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an elliptical disk with foci <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the same minor axis as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> share foci and minor axis, so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>(b)<inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇔ </mml:mo></mml:math></inline-formula> (c): two elliptical disks with the same foci coincide iff their minor axes agree, and by Theorem 2.5, the minor axis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mtext> tr </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; since <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> have the same eigenvalues, equality of minor axes is precisely (c). □</p>
      <p><bold>Theorem</bold><bold>9.3</bold> (Resolution of the rotation question for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). <italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be invertible</italic>,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The</italic><italic>n</italic></p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇔ </mml:mo></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is nilpotent, or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Moreover</italic>, <italic>whenever the relation holds</italic>,<italic>it holds with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><italic>Proof</italic>. (<inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇐ </mml:mo></mml:math></inline-formula> ) If <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is nilpotent this is Proposition 9.1; if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then also <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>(<inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇒ </mml:mo></mml:math></inline-formula> ) Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., </p>
      <disp-formula id="FD44">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>β</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>e</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mi>W</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>β</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>a similitude with translation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and suppose <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is not nilpotent.</p>
      <p><italic>Case</italic>1: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Proposition 9.2 applies and gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Case</italic>2: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (equal eigenvalues; <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is not nilpotent). Write <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> I </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> N </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> I </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nilpotent, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> N </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By Proposition 9.1 (or trivially if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> D </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> D </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are disks centered at <inline-formula><mml:math><mml:mi> λ </mml:mi></mml:math></inline-formula> with radii <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The relation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> β </mml:mi><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forces equality of centers, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> β </mml:mi><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> λ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> β </mml:mi><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Finally, in every case where the relation holds we have shown either <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="double-struck"> D </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (nilpotent case) or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; in both, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> works. □</p>
      <p><bold>Example</bold><bold>9.4</bold> (Explicit counterexample to the general rotation conjecture). Take <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as in Example 4.1, so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a segment, while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the elliptical disk with foci ±1 and semi-axes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (major) and 1 (minor), so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a nondegenerate elliptical disk with semi-axes 1 and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . A rotated segment can never equal a two-dimensional ellipse, so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . (Consistency check: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:msqrt><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mn> 2.618 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msqrt><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msqrt><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , in accordance with Conjecture 4.5 and Theorem 4.2.) </p>
      <p><italic>Remark</italic>9.5. (Higher dimensions and boundary generating curves). The mechanism behind Proposition 9.2 is that the eigenvalues, which are invariant under similarity, serve as the foci of the boundary of <inline-formula><mml:math><mml:mi> W </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the 2 × 2 case. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the natural tool is Kippenhahn’s determinantal representation [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]: writing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> H </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> K </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> H </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Hermitian, the numerical range <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the convex hull of the real affine part of the algebraic curve dual to </p>
      <disp-formula id="FD45">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mi>T</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>det</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mi>H</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mi>K</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mi>I</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and the (real) foci of this boundary generating curve are precisely the eigenvalues of <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Since similarity preserves eigenvalues, any exact similitude between the boundary generating curves of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is subject to the same focus-rigidity as in Proposition 9.2. However, for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not determine its generating curve, and a similitude of the convex sets need not extend to a similitude of the curves; a complete classification is therefore open. We record the two questions our analysis leaves open in the form suggested by the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resolution. </p>
      <p><bold>Open Problem</bold><bold>9.6.</bold> Characterize the pairs <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℂ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> invertible, for which <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a similitude of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Theorem 9.3 resolves the case <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : for distinct eigenvalues, this occurs only trivially (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), while for coincident eigenvalues, it always occurs, with rotation angle 0. We conjecture that also for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whenever the similitude relation holds, the rotation angle can be taken to be <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> modulo the symmetries of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
    </sec>
    <sec id="sec10">
      <title>10. Conclusions and Future Directions</title>
      <p>This paper develops a framework for understanding numerical-range distortion under similarity and metric similarity of matrices, in the tradition of Toeplitz [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], Hausdorff [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], and Goldberg-Straus [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. Our principal contributions are:</p>
      <p><bold>1) Distortion bounds.</bold> We proved the two-sided numerical-radius bound <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:msup><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Theorem 4.2, Corollary 4.3), sharp in the unitary case, and we showed by an explicit example that no set inclusion of the form <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mtext> conv </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can hold in general (Example 4.1). We conjecture that the optimal constant is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Conjecture 4.5), which is attained on the nilpotent family.</p>
      <p><bold>2) Exact formulas.</bold> For nilpotent 2 × 2 matrices with diagonal similarity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> diag </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we established the exact scale factor formula <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with the scale-invariant sharpness dichotomy of Corollary 0.24.</p>
      <p><bold>3) Metric similarity invariance.</bold> We proved the identity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> X </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , showing that the unitary component has no effect on numerical-range distortion; this extends the invariance properties cataloged in [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>].</p>
      <p><bold>4) Resolution of the rotation question for</bold><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We showed that the normalized numerical ranges <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> W </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are related by a rotation precisely when <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is nilpotent or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> W </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and that the rotation angle can then be taken to be zero (Theorem 9.3); the general similitude classification for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is posed as Open Problem 9.6, together with the Kippenhahn-curve approach sketched in Remark 9.5.</p>
      <p><bold>Limitations.</bold> We reiterate the boundaries of the present work. All results are proved for matrices on finite-dimensional spaces; in infinite dimensions, even the spectral inclusion must be modified (Remark 2.4). The exact distortion formula is proved only for 2 × 2 nilpotent matrices under diagonal similarity; for general <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> our results are quantitative bounds on the numerical radius rather than a geometric classification of the numerical range, and the optimal distortion constant (conjecturally <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> κ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) remains open. The rotation/similitude question is fully resolved only for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Beyond Conjecture 4.5 and Open Problem 9.6, natural directions include exact scale factors for larger classes of matrices (e.g., quadratic operators, whose numerical ranges are elliptical), the behavior of the boundary generating curve under similarity for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> via Kippenhahn’s classification [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], and analogs for the <italic>q</italic>-numerical range and the numerical ranges of operator polynomials. </p>
    </sec>
    <sec id="sec11">
      <title>Author Contributions</title>
      <p>Faith Mwangi was involved in conceptualization, analysis, and writing; Benard Nzimbi and Stephen Luketero were involved in conceptualization and review of the manuscript.</p>
    </sec>
    <sec id="sec12">
      <title>Statement</title>
      <p>Computational work was performed using Python with NumPy, SciPy, and Matplotlib. </p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Toeplitz, O. (1918) Das algebraische Analogon zu einem Satze von Fejér. <italic>Mathematisc</italic><italic>he</italic><italic>Zeitschrift</italic>, 2, 187-197. https://doi.org/10.1007/bf01212904 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01212904</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf01212904">https://doi.org/10.1007/bf01212904</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Toeplitz, O.</string-name>
            </person-group>
            <year>1918</year>
            <article-title>Das algebraische Analogon zu einem Satze von Fejér</article-title>
            <source>Mathematische Zeitschrift</source>
            <volume>2</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01212904</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Hausdorff, F. (1919) Der Wertvorrat einer Bilinearform. <italic>Mathematische</italic><italic>Zeitschrift</italic>, 3, 314-316. https://doi.org/10.1007/bf01292610 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01292610</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf01292610">https://doi.org/10.1007/bf01292610</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Hausdorff, F.</string-name>
            </person-group>
            <year>1919</year>
            <article-title>Der Wertvorrat einer Bilinearform</article-title>
            <source>Mathematische Zeitschrift</source>
            <volume>3</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01292610</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Gustafson, K.E. and Rao, D.K.M. (1997) Numerical Range: The Field of Values of Linear Operators and Matrices. Springer, 1-26. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-8498-4_1 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4613-8498-4_1</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-1-4613-8498-4_1">https://doi.org/10.1007/978-1-4613-8498-4_1</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Gustafson, K.E.</string-name>
              <string-name>Rao, D.K.M.</string-name>
            </person-group>
            <year>1997</year>
            <article-title>Numerical Range: The Field of Values of Linear Operators and Matrices</article-title>
            <source>Springer</source>
            <volume>1</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4613-8498-4_1</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Halmos, P.R. (1982) A Hilbert Space Problem Book. Graduate Texts in Mathematics, 19. 2nd Edition, Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Halmos, P.R.</string-name>
              <string-name>Edition, S</string-name>
            </person-group>
            <year>1982</year>
            <article-title>A Hilbert Space Problem Book</article-title>
            <source>Graduate Texts in Mathematics</source>
            <volume>19</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Kittaneh, F. (2005) Numerical Radius Inequalities for Hilbert Space Operators. <italic>Studia Mathematica</italic>, 168, 73-80. https://doi.org/10.4064/sm168-1-5 <pub-id pub-id-type="doi">10.4064/sm168-1-5</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.4064/sm168-1-5">https://doi.org/10.4064/sm168-1-5</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Kittaneh, F.</string-name>
            </person-group>
            <year>2005</year>
            <article-title>Numerical Radius Inequalities for Hilbert Space Operators</article-title>
            <source>Studia Mathematica</source>
            <volume>168</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.4064/sm168-1-5</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Li, C.K. (2001) A Survey on Linear Preservers of Numerical Ranges and Radii. <italic>TJM</italic>, 5, 477-496. https://doi.org/10.11650/twjm/1500574944 <pub-id pub-id-type="doi">10.11650/twjm/1500574944</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.11650/twjm/1500574944">https://doi.org/10.11650/twjm/1500574944</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Li, C.K.</string-name>
            </person-group>
            <year>2001</year>
            <article-title>A Survey on Linear Preservers of Numerical Ranges and Radii</article-title>
            <source>TJM</source>
            <volume>5</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.11650/twjm/1500574944</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Horn, R.A. and Johnson, C.R. (2012) Matrix Analysis. 2nd Edition, Cambridge University Press.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Horn, R.A.</string-name>
              <string-name>Johnson, C.R.</string-name>
              <string-name>Edition, C</string-name>
            </person-group>
            <year>2012</year>
            <article-title>Matrix Analysis</article-title>
            <source>2nd Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Goldberg, M. and Straus, E.G. (1977) Elementary Inclusion Relations for Generalized Numerical Ranges. <italic>Linear Algebra and Its Applications</italic>, 18, 1-24. https://doi.org/10.1016/0024-3795(77)90075-1 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0024-3795(77)90075-1</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/0024-3795(77)90075-1">https://doi.org/10.1016/0024-3795(77)90075-1</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Goldberg, M.</string-name>
              <string-name>Straus, E.G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1977</year>
            <article-title>Elementary Inclusion Relations for Generalized Numerical Ranges</article-title>
            <source>Linear Algebra and Its Applications</source>
            <volume>3795</volume>
            <issue>77</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0024-3795(77)90075-1</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Bhatia, R. (1997) Matrix Analysis. Graduate Texts in Mathematics, Vol. 169. Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Bhatia, R.</string-name>
              <string-name>Mathematics, V</string-name>
            </person-group>
            <year>1997</year>
            <article-title>Matrix Analysis</article-title>
            <source>Graduate Texts in Mathematics</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Hutchinson, J.E. (1981) Fractals and Self-Similarity. <italic>Indiana University Mathematics Journal</italic>, 30, 713-747. https://doi.org/10.1512/iumj.1981.30.30055 <pub-id pub-id-type="doi">10.1512/iumj.1981.30.30055</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1512/iumj.1981.30.30055">https://doi.org/10.1512/iumj.1981.30.30055</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Hutchinson, J.E.</string-name>
            </person-group>
            <year>1981</year>
            <article-title>Fractals and Self-Similarity</article-title>
            <source>Indiana University Mathematics Journal</source>
            <volume>30</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1512/iumj.1981.30.30055</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Kippenhahn, R. (1951) Über den Wertevorrat einer Matrix. <italic>Mathematische</italic><italic>Nachric</italic><italic>hten</italic>, 6, 193-228. https://doi.org/10.1002/mana.19510060306 <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mana.19510060306</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1002/mana.19510060306">https://doi.org/10.1002/mana.19510060306</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Kippenhahn, R.</string-name>
            </person-group>
            <year>1951</year>
            <article-title>Über den Wertevorrat einer Matrix</article-title>
            <source>Mathematische Nachrichten</source>
            <volume>6</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mana.19510060306</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>