<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2024.1472401</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>(In)stability of de Sitter quasinormal mode spectra</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Warnick</surname> <given-names>C. M.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2804003/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Pure Mathematics and Mathematical Statistics, University of Cambridge</institution>, <addr-line>Cambridge</addr-line>, <country>United Kingdom</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge</institution>, <addr-line>Cambridge</addr-line>, <country>United Kingdom</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Jose Luis Jaramillo, Universit&#x000E9; de Bourgogne, France</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Piotr Bizon, Jagiellonian University, Poland</p>
<p>Jonas Lampart, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, France</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: C. M. Warnick <email>c.m.warnick&#x00040;maths.cam.ac.uk</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>02</day>
<month>10</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1472401</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>29</day>
<month>07</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>11</day>
<month>09</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2024 Warnick.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Warnick</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract>
<p>We consider how the quasinormal spectrum for the conformal wave operator on the static patch of de Sitter changes in response to the addition of a small potential. Since the quasinormal modes and co-modes are explicitly known, we are able to give explicit formulae for the instantaneous rate of change of each frequency in terms of the perturbing potential. We verify these exact computations numerically using a novel technique extending the spectral hyperboloidal approach of Jaramillo et al. (2021). We propose a definition for a family of pseudospectra that we show capture the instability properties of the quasinormal frequencies.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>quasinomal modes of black holes</kwd>
<kwd>black holes</kwd>
<kwd>spectral instability</kwd>
<kwd>non-normal</kwd>
<kwd>wave equation</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="5"/>
<table-count count="6"/>
<equation-count count="50"/>
<ref-count count="36"/>
<page-count count="12"/>
<word-count count="6558"/>
</counts>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Mathematical Physics</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>For asymptotically de Sitter and anti-de Sitter black hole spacetimes, the problem of defining the quasinormal frequencies has been satisfactorily resolved based on making use of a hyperboloidal foliation of the spacetime [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>].<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref> For asymptotically flat black hole spacetimes, the situation is not as fully developed, but nevertheless in many cases a suitably robust mathematical definition exists either through casting the problem in terms of scattering resonances and making use of the method of complex scaling [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] or through using a hyperboloidal slicing [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. In all cases, the quasinormal frequencies can ultimately be understood as eigenvalues of some operator which is not self-adjoint.</p>
<p>A feature of operators which are not self-adjoint is that their spectra can be unstable to &#x0201C;small&#x0201D; perturbations. For a simple example in finite dimensions, consider the matrices</p>
<disp-formula id="E1"><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></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 stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Clearly for 0 &#x0003C; <italic>&#x003F5;</italic> &#x0226A;1, <italic>A</italic>&#x02032;&#x02212;<italic>A</italic> is &#x0201C;small&#x0201D; by any reasonable notion of smallness; however, <italic>A</italic> has a repeated eigenvalue at 0, while <italic>A</italic>&#x02032; has eigenvalues &#x000B1;<italic>&#x003F5;</italic><sup>&#x02212;1</sup>, so the spectra diverge as <italic>&#x003F5;</italic> &#x02192; 0.</p>
<p>In the context of black hole quasinormal spectra, it was noticed already by Aguirregabiria&#x02013;Vishveshwara Nollert&#x02013;Price in the 90&#x00027;s [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>] that seemingly innocuous changes to the operators used in defining quasinormal modes could have dramatic effects on the spectrum. Motivated in part by mathematical [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] and numerical [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] studies which cast the problem of finding the quasinormal spectrum as an eigenvalue problem for the time evolution operator on a hyperboloidal foliation, there has been a resurgence of interest in the problem of quasinormal spectral stability, see [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] in the specific context of instability arising from non-self-adjoint operators as well as [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>] and references therein for many other studies.</p>
<p>In this short article, we shall consider the problem of the conformal wave equation on the static patch of de Sitter space. The high degree of symmetry enjoyed by the de Sitter spacetime means that the problem of determining the quasinormal spectrum is completely solvable, and the various objects involved can be computed explicitly. This makes this a helpful test-bed for understanding the effects on the spectrum of small perturbations. The perturbations we consider consist of stationary modifications to the potential. In a more physically motivated situation, we should consider the linearized gravitational field (rather than a conformal scalar field) and permit perturbations to the geometry of the background rather than just a potential. Our methods can, in principle, be applied in this situation, but for simplicity, we focus on the toy model.<xref ref-type="fn" rid="fn0002"><sup>2</sup></xref></p>
<p>We are able to compute exactly the first order correction to each quasinormal frequency in terms of the perturbing potential. We find that the answer to the question of whether an individual quasinormal frequency is stable to &#x0201C;small&#x0201D; perturbations depends sensitively on what is meant by &#x0201C;small&#x0201D; [cf [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>, footnote 18]]. In particular, the relevant notion of smallness varies depending on which modes we are considering, and those representing more rapidly decaying modes require a more stringent notion of smallness. One may alternatively view this by first fixing the notion of smallness considered and then one observes that the more rapidly decaying modes are more unstable to small perturbations, consistent with expectations going back to [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>].<xref ref-type="fn" rid="fn0003"><sup>3</sup></xref></p>
<p>To confirm the analytic computations, we also perform some numerics. For this, we make use of a spectral method on a hyperboloidal (or null) slicing, similar to that used in [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], but applied to an enlarged system obtained by differentiating the equation by hand <italic>k</italic>-times motivated by the analysis of [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. This has a doubly beneficial effect&#x02014;First, it stabilizes the numerical computation of quasinormal frequencies; second, it permits us to stably compute a family of pseudospectra that we define, associated with the problem, which allow the stability properties to be directly visualized. In this context, we should also mention the forthcoming study [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] which also provides a numerically stable computation of pseudospectra.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>2 Set-up and defining the quasinormal spectrum</title>
<p>We consider the static patch of the de Sitter spacetime, written in coordinates that are regular at the future horizon. This is a metric on &#x0211D;<sup>4</sup> &#x0003D; {(<italic>t</italic>, <italic><bold>x</bold></italic>):<italic>t</italic> <italic>&#x02208;</italic> &#x0211D;, <italic><bold>x</bold></italic> &#x02208; &#x0211D;<sup>3</sup>}</p>
<disp-formula id="E2"><label>(1)</label><mml:math id="M2"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with &#x003B4;<sub><italic>ij</italic></sub> the usual Kronecker delta and &#x003BA; &#x0003E; 0 a constant. The static patch is the region <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>R</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula> where <italic>B</italic> &#x0003D; {<italic><bold>x</bold></italic> &#x02208; &#x0211D;<sup>3</sup>:|<italic><bold>x</bold></italic>| &#x0003C; &#x003BA;<sup>&#x02212;1</sup>} is the ball of radius &#x003BA;<sup>&#x02212;1</sup>, and the future cosmological horizon is <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This metric is Einstein with cosmological constant &#x0039B; &#x0003D; 3&#x003BA;<sup>2</sup>. We will keep track of &#x003BA; for later discussion, but nothing is lost by setting &#x003BA; &#x0003D; 1 throughout.</p>
<p>The wave operator in these coordinates takes the form</p>
<disp-formula id="E3"><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x025A1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We shall consider the following family of equations on this background</p>
<disp-formula id="E4"><label>(2)</label><mml:math id="M6"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x025A1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here, <italic>V</italic><sub><italic>h</italic></sub> is a time-independent potential depending on some small parameter |<italic>h</italic>| &#x0003C; &#x003F5;, and we assume that the map (<italic>h</italic>, <italic><bold>x</bold></italic>) &#x021A6; <italic>V</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic><bold>x</bold></italic>) is smooth on (&#x02212;<italic>&#x003F5;</italic>, <italic>&#x003F5;</italic>) &#x000D7; &#x0211D;<sup>3</sup>. We are interested in particular in the quasinormal ring-down behavior of solutions to this equation. To discuss this, we introduce the Laplace transformed operator which acts on functions <italic>u</italic>:<italic>B</italic> &#x02192; &#x02102;</p>
<disp-formula id="E5"><label>(3)</label><mml:math id="M7"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We define the quasinormal frequencies through the solvability properties of this operator. More precisely, for <italic>k</italic> &#x0003D; 0, 1, 2, &#x02026; we define an inner product and norm on functions <italic>u, w</italic>:<italic>B</italic> &#x02192; &#x02102; by</p>
<disp-formula id="E6"><label>(4)</label><mml:math id="M8"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here, &#x02207;<sup>(<italic>l</italic>)</sup><italic>u</italic> is the rank <italic>l</italic>-tensor &#x02207;<sub><italic>i</italic><sub>1</sub></sub>&#x022EF;&#x02207;<sub><italic>i</italic><sub><italic>l</italic></sub></sub><italic>u</italic>, and &#x000B7; means contraction on all indices.<xref ref-type="fn" rid="fn0004"><sup>4</sup></xref> Notice that (<italic>u, w</italic>)<sub>0</sub> is the usual <italic>L</italic><sup>2</sup>&#x02212;inner product. We define <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup>, the Sobolev space of order <italic>k</italic>, to consist of those functions <italic>u</italic>:<italic>B</italic> &#x02192; &#x02102; with ||<italic>u</italic>||<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003C; &#x0221E;. This is a Hilbert space with the corresponding inner product. We define the domain of <italic>L</italic><sub><italic>s</italic></sub> to be</p>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>It can be shown that <italic>H</italic><sup><italic>k</italic>&#x0002B;2</sup> &#x02282; <italic>D</italic><sup><italic>k</italic></sup> &#x02282; <italic>H</italic><sup><italic>k</italic>&#x0002B;1</sup>, so that <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="2.77695pt" class="tmspace"/><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mspace width="2.77695pt" class="tmspace"/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for all <italic>s, h</italic>.</p>
<p>With this definition in hand, we can state the basic theorem we shall require, which follows straightforwardly from Vasy, Warnick, and Hintz and Xie [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]:</p>
<p>Theorem 1. Fix |<italic>h</italic>| &#x0003C; <italic>&#x003F5;</italic>, <italic>k</italic> &#x02208; &#x02115; and let <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02102;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>&#x0211C;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then, the operator <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is invertible for <italic>s</italic> &#x02208; <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>, except at a discrete set &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) &#x02282; <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>. Moreover, for each &#x003C3; &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) there is an integer <italic>d</italic>&#x0003E;0 such that:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>There exists a <italic>d</italic>-dimensional space of smooth functions <italic>w</italic>:<italic>B</italic> &#x02192; &#x02102; which extend smoothly to &#x02202;<italic>B</italic> and satisfy <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
<list-item><p>There exists a <italic>d</italic>-dimensional space of distributions <italic>X</italic> &#x02208; <italic><inline-formula><mml:math id="M14"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>D</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula></italic>&#x02032;(&#x0211D;<sup>3</sup>) which satisfy</p>
<p><disp-formula id="E8"><label>(5)</label><mml:math id="M15"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>for some <italic>c</italic> &#x0003E; 0 and all test functions <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
<list-item><p>As <italic>s</italic> varies, the meromorphic family of operators <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</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:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> has a pole at &#x003C3;.</p></list-item>
</list>
<p>It follows from the characterization of points in &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) that &#x0039B;<sub><italic>k</italic>&#x0002B;1</sub>(<italic>h</italic>) &#x02229; <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x0003D; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>). We call any <italic>&#x003C3;</italic> &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) for some <italic>k</italic> a quasinormal frequency of <italic>L</italic>(<italic>h</italic>), with geometric multiplicity <italic>d</italic>. A corresponding smooth solution to <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is a quasinormal mode, and a distribution <italic>X</italic> satisfying <italic>ii</italic>) above we call a co-mode. Notice that the condition on <italic>X</italic> implies that <italic>X</italic> is supported in <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and so can be uniquely extended to act on test functions in <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The residue of <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> at <italic>s</italic> &#x0003D; &#x003C3; is a finite rank operator, and we identify the rank of this residue with the algebraic multiplicity of &#x003C3;. As in the familiar case of matrices, the algebraic multiplicity is an upper bound for the geometric multiplicity. We say that a quasinormal frequency <italic>&#x003C3;</italic> &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) is <italic>simple</italic> if it has algebraic multiplicity one.</p>
<p>The result above holds for <italic>h</italic> fixed. The question we shall consider in this study, that of quasinormal spectral instability, amounts to trying to understand how the set &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) changes as <italic>h</italic> varies.</p></sec>
<sec id="s3">
<title>3 Stability of quasinormal frequencies</title>
<sec>
<title>3.1 Simple quasinormal frequencies</title>
<p>Let us suppose that for the unperturbed operator, that is, at <italic>h</italic> &#x0003D; 0, we can compute the quasinormal frequencies, modes, and co-modes, and we consider some simple <italic>&#x003C3;</italic> &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(0) with corresponding quasinormal mode <italic>w</italic> and co-mode <italic>X</italic>. It was shown in Joykutty [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] that that as <italic>h</italic> varies, there is some smooth curve of quasinormal frequencies <italic>&#x003C3;</italic>(<italic>h</italic>) &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>), with <italic>&#x003C3;</italic>(0) &#x0003D; <italic>&#x003C3;</italic>, together with an associated curve of quasinormal modes <italic>w</italic>(<italic>h</italic>) with <italic>w</italic>(0) &#x0003D; <italic>w</italic>, depending smoothly on <italic>h</italic> such that</p>
<disp-formula id="E9"><mml:math id="M22"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>holds for all |<italic>h</italic>| &#x0003C; <italic>&#x003F5;</italic>. Moreover, in Joykutty [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] an explicit power series expansion for <italic>&#x003C3;</italic>(<italic>h</italic>) is given in terms of the trace of certain operator valued contour integrals. We shall take a more elementary approach to find a formula for <italic>&#x003C3;</italic>&#x02032;(0).</p>
<p>Since <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> depends smoothly on its arguments, we can differentiate with respect to <italic>h</italic> at <italic>h</italic> &#x0003D; 0 to find:</p>
<disp-formula id="E10"><label>(6)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>By assumption, we know <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>w</italic>, but we do not know anything about <italic>w</italic>&#x02032;(0). If, however, we act on <xref ref-type="disp-formula" rid="E10">Equation 6</xref> with the co-mode <italic>X</italic>, the term involving <italic>w</italic>&#x02032;(0) will be annihilated. We find then:</p>
<disp-formula id="E11"><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>or, rearranging</p>
<disp-formula id="E12"><label>(7)</label><mml:math id="M27"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This formula gives us an exact expression for the velocity of the curve of quasinormal frequencies <italic>&#x003C3;</italic>(<italic>h</italic>) as it passes through <italic>&#x003C3;</italic>.</p>
<p>We observe that only the numerator of <xref ref-type="disp-formula" rid="E12">Equation 7</xref> depends on the perturbation&#x02014;the denominator can be computed from the unperturbed operator alone. Recalling that the operator norm of a linear map <italic>A</italic>:<italic>V</italic>&#x02192;<italic>W</italic> between normed spaces is given by</p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M28"><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we can estimate <italic>&#x003C3;</italic>&#x02032;(0) in terms of an operator norm of the linearized perturbation as</p>
<disp-formula id="E14"><label>(8)</label><mml:math id="M29"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>||</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here, the sensitivity, or condition number, <italic>&#x003B3;</italic><sub><italic>&#x003C3;</italic></sub> depends only on the unperturbed operator and is given by</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x02102;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We can think of the expression for <italic>&#x003B3;</italic> as a generalization of the formula for the sensitivity of a matrix eigenvalue.</p>
<p>At this stage, it is worth commenting on the role of <italic>k</italic> in the discussion. Increasing <italic>k</italic> increases the region of the complex plane in which we can study the quasinormal frequencies; however, the price we pay for this in <xref ref-type="disp-formula" rid="E14">Equation 8</xref> is an increase in the control that we require on the perturbation. We can mitigate this by choosing <italic>k</italic> to be as small as possible, consistent with <italic>&#x003C3;</italic> &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(0). Even doing this we see that to bound the rate of change of a quasinormal frequency <italic>&#x003C3;</italic>, we (roughly speaking) need control of more than &#x02212;&#x003BA;<sup>&#x02212;1</sup>(Re<italic>&#x003C3;</italic>) derivatives of the perturbation. We shall see this more explicitly later on. We should note that &#x02018;control of higher derivatives&#x00027; may appear to be an unphysical condition, but one can also view this condition as asking that the perturbations should not have too much of their energy at high wavenumbers.<xref ref-type="fn" rid="fn0005"><sup>5</sup></xref></p>
<p>The arguments above do not rely strongly on the particular form of the metric, or the family of operators we consider. As long as a result broadly analogous to the conclusions of Theorem 1 holds, we can expect to be able to repeat this argument.</p>
</sec>
<sec>
<title>3.2 Non-simple quasinormal frequencies</title>
<p>In the discussion above, we made the assumption that the quasinormal frequency <italic>&#x003C3;</italic> was simple, which was needed to establish that <italic>&#x003C3;</italic> sits on a smooth curve of quasinormal frequencies. If <italic>&#x003C3;</italic> is not simple, then this need not be the case in general&#x02014;see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> for a situation where this arises in our numerics. It does follow from [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] that the number of QNFs, counted with suitable multiplicity, inside a small circle around <italic>&#x003C3;</italic> is independent of <italic>h</italic> for small <italic>h</italic>, so that QNFs in particular cannot be locally &#x0201C;created&#x0201D; or &#x0201C;destroyed&#x0201D; by small perturbations of the type we consider&#x02014;QNFs can only appear from infinity or by splitting off from a QNF with algebraic multiplicity greater than one.</p>
<p>In general, it does not appear to be a straightforward question to determine whether a particular non-simple quasinormal frequency lies on a smooth curve. In some cases, however, it may be that evolution under <italic>L</italic>(<italic>h</italic>) leaves invariant some subspace (such as an angular momentum eigenspace) so we can consider the problem of finding quasinormal frequencies restricted to this subspace. If <italic>&#x003C3;</italic> is a simple quasinormal frequency of the restricted problem, then the results of the previous section will apply.</p></sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 The generalized pseudospectrum</title>
<p>In Jaramillo et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] and subsequently [see Boyanov et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>] and references therein], the instability of the quasinormal spectrum has been investigated using the notion of pseudospectrum, comparing the results from this approach to computations with explicit perturbations. Recall that for a matrix <italic>A</italic> we can define the <italic>&#x003F5;</italic>&#x02212;pseudospectrum to be<xref ref-type="fn" rid="fn0006"><sup>6</sup></xref></p>
<disp-formula id="E16"><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>&#x0039B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02102;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>&#x003B9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></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:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where we define <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mo>||</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>&#x003B9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula> whenever <italic>A</italic>&#x02212;<italic>s&#x003B9;</italic> is not invertible. It can be shown [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] that &#x0039B;<sup><italic>&#x003F5;</italic></sup> corresponds to the set of points which can appear in the spectrum of <italic>A</italic> &#x0002B; <italic>&#x003B4;</italic><italic>A</italic>, where <italic>&#x003B4;</italic><italic>A</italic> is a perturbation satisfying <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>This notion generalizes to operators on infinite dimensional spaces in the obvious way. However, this definition cannot immediately be applied to our problem above because <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not of the form <italic>A</italic>&#x02212;<italic>sI</italic> for some operator <italic>A</italic>. There are two possible approaches to resolve this. The approach taken by Jaramillo et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] is to follow [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] and recast the problem of finding the quasinormal frequencies as a genuine eigenvalue problem by writing</p>
<disp-formula id="E17"><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>L</italic><sub><italic>j</italic></sub>(<italic>h</italic>) is a differential operator of order <italic>j</italic>. Then, we can verify that <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> has a solution if and only if</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>has a smooth solution. Thus, the set &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(<italic>h</italic>) can be identified with the part of the spectrum of</p>
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>in <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>, where <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is thought of as a closed unbounded operator on <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This motivates one definition of the <italic>&#x003F5;</italic>&#x02212;pseudospectrum<xref ref-type="fn" rid="fn0007"><sup>7</sup></xref> as</p>
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02102;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>&#x003B9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></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:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This has the advantage of being the standard definition applied to <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but the disadvantage that in numerical computations one has to double the dimension of the approximation space to account for the two functions <italic>w, v</italic>. Moreover, since <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not have compact resolvent, approximation by matrices can be more challenging.</p>
<p>An alternative approach is to generalize the notion of <italic>&#x003F5;</italic>&#x02212;pseudospectrum by declaring</p>
<disp-formula id="E21"><label>(9)</label><mml:math id="M45"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></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:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This has the advantage that <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</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:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is compact, but the disadvantage that since it is not the standard definition of pseudospectrum, one cannot readily make use of existing numerical libraries. We note as an aside that we could also consider the <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup> &#x02192; <italic>D</italic><sup><italic>k</italic></sup> norm in place of the <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup> &#x02192; <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup> norm in <xref ref-type="disp-formula" rid="E21">Equation 9</xref>, but it will not make a significant difference for the type of perturbations we consider.</p>
<p>We shall take <xref ref-type="disp-formula" rid="E21">Equation 9</xref> as our definition of the pseudospectrum for the rest of the study [see Besson et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] for an alternative approach]. A modification of the usual arguments for pseudospectra [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] shows that <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x0039B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is precisely the set of points in <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub> which can occur as quasinormal frequencies of <italic>L</italic>(<italic>s</italic>, 0)&#x0002B;<italic>E</italic> for some operator <italic>E</italic>:<italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup> &#x02192; <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup> satisfying <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. One can verify that the fact that <italic>s</italic> does not appear linearly in <italic>L</italic>(<italic>s</italic>, 0) does not affect this argument. In particular, provided <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mo>||</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> we have <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x0039B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02282;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x0039B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>We note that this definition agrees with that for the null slicing in Cownden et al. and Boyanov et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]; however, we do not assume that the slicing is everywhere null.</p></sec>
<sec id="s5">
<title>5 Explicit computations for perturbations of the conformal wave operator</title>
<p>To give a concrete demonstration of the ideas above, we will work in a setting where the quasinormal frequencies, modes, and co-modes of the operator are known explicitly at <italic>h</italic> &#x0003D; 0. In particular, from now on we assume that we perturb about the conformal wave operator on de Sitter, in our language:</p>
<disp-formula id="E22"><mml:math id="M51"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Under this assumption, we have [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]:</p>
<p>Lemma 2. Suppose <italic>V</italic><sub>0</sub>(<italic><bold>x</bold></italic>) &#x0003D; 2. Then:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>&#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(0) &#x0003D; {&#x02212;&#x003BA;, &#x02212;2&#x003BA;, &#x02212;3&#x003BA;, &#x02026;, &#x02212;<italic>k&#x003BA;</italic>}.</p></list-item>
<list-item><p>The quasinormal frequency <italic>&#x003C3;</italic><sub><italic>n</italic></sub>: &#x0003D; &#x02212;<italic>n&#x003BA;</italic> &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(0) has geometric and algebraic multiplicity <italic>n</italic><sup>2</sup>, and a basis for the corresponding space of quasinormal frequencies is given in terms of the standard spherical polar coordinates (<italic>r</italic>, <italic>&#x003B8;</italic>, <italic>&#x003D5;</italic>) on <italic>B</italic><sub>&#x003BA;</sub> by</p>
<p><disp-formula id="E23"><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <italic>Y</italic><sub><italic>l, m</italic></sub> are the spherical harmonics, <sub>2</sub><italic>F</italic><sub>1</sub> is the hypergeometric function and the integers <italic>m, l</italic> satisfy |<italic>m</italic>| &#x02264; <italic>l</italic> &#x02264; <italic>n</italic>.</p></list-item>
<list-item><p>For each <italic>&#x003C3;</italic><sub><italic>n</italic></sub> &#x02208; &#x0039B;<sub><italic>k</italic></sub>(0), the corresponding quasinormal co-modes are supported on &#x02202;<italic>B</italic>. A basis for the space of co-modes is given in terms of the action on a smooth test function by</p>
<p><disp-formula id="E24"><label>(10)</label><mml:math id="M53"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>where |<italic>m</italic>| &#x02264; <italic>l</italic> &#x02264; <italic>n</italic>, <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are constants, and <italic>&#x003C6;</italic><sub><italic>l, m</italic></sub>(<italic>r</italic>) is the projection of <italic>&#x003C6;</italic> onto the (<italic>l, m</italic>)&#x02212;spherical mode.</p></list-item>
</list>
<p>While it is possible to specify the constants <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> explicitly, see Hintz and Xie; Joykutty [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>], for the purposes of our results below it is more computationally efficient to find <italic>X</italic><sub><italic>n, l, m</italic></sub> for any particular choice of <italic>n, l, m</italic> by simply using <xref ref-type="disp-formula" rid="E24">Equation 10</xref> as an ansatz in <xref ref-type="disp-formula" rid="E8">Equation 5</xref> and solving the resulting linear system for <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Doing so using Mathematica to perform the computations, we find the results in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1A</label>
<caption><p>Coefficients <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for the first six quasinormal frequencies with in each of the angular sectors <italic>l</italic> &#x0003D; 0, 1, 2. <bold>(A)</bold> <italic>l</italic> &#x0003D; 0.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><inline-graphic xlink:href="fams-10-1472401-i0001.tif"/></th>
<th valign="top" align="left"><bold>0</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>1</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>2</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>3</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>4</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>5</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 1B</label>
<caption><p><italic>l</italic> &#x0003D; 1.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><inline-graphic xlink:href="fams-10-1472401-i0001.tif"/></th>
<th valign="top" align="left"><bold>0</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>1</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>2</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>3</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>4</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>5</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>6</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">7</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">0</td>
<td valign="top" align="left">7</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 1C</label>
<caption><p><italic>l</italic> &#x0003D; 2.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><inline-graphic xlink:href="fams-10-1472401-i0002.tif"/></th>
<th valign="top" align="center"><bold>0</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>1</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>2</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>3</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>4</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>5</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>6</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>7</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">5</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;3</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">6</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="center">6</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;6</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">7</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;18</td>
<td valign="top" align="center">18</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;9</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">8</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">7</td>
<td valign="top" align="center">72</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;72</td>
<td valign="top" align="center">36</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;12</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">9</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">8</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;360</td>
<td valign="top" align="center">360</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;180</td>
<td valign="top" align="center">60</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;15</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">10</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Since for <italic>&#x003C3;</italic> &#x02260; &#x02212;&#x003BA; the quasinormal frequencies are not simple, to make use of <xref ref-type="disp-formula" rid="E12">Equation 7</xref> to estimate the change in the QNF, we shall make the additional assumption that the potential <italic>V</italic><sub><italic>h</italic></sub> is spherically symmetric. Under this assumption, the QNFs are simple once we restrict our attention to a single fixed angular mode. If we fix <italic>l, m</italic> with |<italic>m</italic>| &#x02264; <italic>l</italic>, then for <italic>k</italic> &#x02265; <italic>l</italic>, the unperturbed quasinormal spectrum restricted to the <italic>l, m</italic> angular mode is <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x0039B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and all the QNFs are simple. We can compute the rate of change of the QNF at &#x02212;&#x003BA; <italic>n</italic> by</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>To use this formula, we also need <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. For the particular case of interest, with <italic>L</italic>(<italic>h</italic>) given by <xref ref-type="disp-formula" rid="E4">Equation 2</xref>, we have</p>
<disp-formula id="E26"><mml:math id="M62"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>so that</p>
<disp-formula id="E27"><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where we introduce <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the first order perturbation to the potential.</p>
<p>We now have all that is required to compute <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In view of the structure of the operator <italic>X</italic><sub><italic>n, l, m</italic></sub>, we can write</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for some constants <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Note that this is independent of <italic>m</italic> due to the spherical symmetry of the perturbing potential. We can again use Mathematica to compute these constants and present the results for the first few modes in the <italic>l</italic> &#x0003D; 0, 1, 2 angular sectors in <xref ref-type="table" rid="T4">Table 2</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T4">
<label>Table 2A</label>
<caption><p>Coefficients <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for the first six quasinormal frequencies within each of the angular sectors <italic>l</italic> &#x0003D; 0, 1, 2. <bold>(A)</bold> <italic>l</italic> &#x0003D; 0.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><inline-graphic xlink:href="fams-10-1472401-i0002.tif"/></th>
<th valign="top" align="left"><bold>0</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>1</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>2</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>3</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>4</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>5</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td valign="top" align="left">&#x02212;1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="left">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="left">&#x02212;2</td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M70"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="left">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="left">&#x02212;4</td>
<td valign="top" align="left">&#x02212;4</td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M73"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="left">1</td>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>45</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap position="float" id="T6">
<label>Table 2B</label>
<caption><p><italic>l</italic> &#x0003D; 1.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><inline-graphic xlink:href="fams-10-1472401-i0002.tif"/></th>
<th valign="top" align="center"><bold>0</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>1</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>2</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>3</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>4</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>5</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>6</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M78"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>41</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M84"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>19</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>53</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M87"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>45</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>169</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>216</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M90"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>102</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>34</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M92"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">7</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>41</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M94"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>199</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>128</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>110</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M98"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap position="float" id="T7">
<label>Table 2C</label>
<caption><p><italic>l</italic> &#x0003D; 2.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><inline-graphic xlink:href="fams-10-1472401-i0001.tif"/></th>
<th valign="top" align="center"><bold>0</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>1</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>2</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>3</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>4</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>5</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>6</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>7</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M99"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M100"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">4</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M101"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">5</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>117</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M105"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>93</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">6</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>157</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>544</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>227</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">7</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M113"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>583</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>887</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>316</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M116"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>82</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M117"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>189</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">8</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M119"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>139</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M120"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>260</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M121"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>601</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>63</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M122"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>52</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M123"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>194</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>315</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M124"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>34</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>675</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M125"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>675</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula></td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Picking two cases as examples, we can read off from the tables that</p>
<disp-formula id="E30"><mml:math id="M126"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02033;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We see very explicitly here and from Table 8 that the rate of change of the quasinormal frequency depends on higher derivatives of the perturbing potential, and the larger <italic>n</italic>, that is, the deeper into the stable plane we go, the more derivatives that are required. Equivalently, the deeper into the stable plane, the more control we require on the high wavenumber component of our perturbation. The increasing order of the operator norm that appears on the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="E14">Equation 8</xref> as we probe deeper into the plane is not simply an artifact of our framework but is necessary.</p>
<p>To see why it is necessary to use higher order norms to constrain the perturbations, let us consider the case &#x003BA; &#x0003D; 1 and consider a family of perturbations <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We clearly have that</p>
<disp-formula id="E31"><mml:math id="M128"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02272;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so in particular as <italic>&#x003F5;</italic> &#x02192; 0, we see that in the &#x02018;energy norm&#x00027;, that is, the operator norm associated to the <italic>H</italic><sup>1</sup> norm we have that the perturbation tends to zero. However, <italic>W</italic>&#x02033;(1) &#x0003D; (4<italic>&#x003F5;</italic><sup>&#x02212;1</sup> &#x02212; 2<italic>&#x003F5;</italic>)exp(&#x02212;1/<italic>&#x003F5;</italic><sup>2</sup>) &#x0007E; <italic>&#x003F5;</italic><sup>&#x02212;1</sup> as <italic>&#x003F5;</italic> &#x02192; 0, so that using the expression above we see that the <italic>l</italic> &#x0003D; <italic>m</italic> &#x0003D; 1, <italic>n</italic> &#x0003D; 3 mode is displaced (to first order) by a term proportional to <italic>&#x003F5;</italic><sup>&#x02212;1</sup>. Hence, smallness of the perturbation in the energy norm is no guarantee of stability of the quasinormal modes lying sufficiently deep in the stable half-plane.</p>
<p>For the choice of potential <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with &#x003BA; &#x0003D; 1, which we study numerically below, we have computed <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula> for <italic>n</italic> &#x02264; 20, <italic>l</italic> &#x02264; 2 and presented the results graphically in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. Noting the logarithmic scale on the <italic>y</italic>&#x02212;axis, we see that for this choice of perturbing potential <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula> grows roughly exponentially in <italic>n</italic>, consistent with our expectation that modes deeper in the stable plane become more and more unstable.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Magnitude of <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>n</italic> &#x02264; 20, <italic>l</italic> &#x02264; 2 for the potential <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with &#x003BA; &#x0003D; 1.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1472401-g0001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Numerical calculation of QNFs and comparison to analytic results</title>
<p>To test numerically the computations above, we have computed the quasinormal frequencies for the choice <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We first present the results and then comment on the methods used below.</p>
<sec>
<title>6.1 Results</title>
<p>Since the equation is real, as is the quasinormal spectrum of <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, frequencies can only move off the real axis in complex conjugate pairs. Restricted to each angular sector the QNFs are simple, so each QNF must remain real for a range of <italic>h</italic> values near 0. Accordingly, in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> we show the directly computed real part of the quasinormal frequencies as a function of <italic>h</italic>. Superposed on this, we also plot the linear approximation to the QNFs given by</p>
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M136"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <inline-formula><mml:math id="M137"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computed using the exact methods of &#x000A7;5 and we see very good agreement with the full numerical computation. We have experimented and this result is robust to changes to the potential, provided it remains smooth. We have thus verified the results of &#x000A7;5. We note that this is a non-trivial test of our numerical scheme (described below) as it correctly predicts the values of the QNFs for <italic>h</italic> &#x0003D; 0 and agrees with the analytical computations for the gradient of the blue curves at these points.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Re(<italic>&#x003C3;</italic>(<italic>h</italic>)) plotted against <italic>h</italic> for numerically computed QNFs for <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue lines) together with the linear approximations (red lines) in the <italic>l</italic> &#x0003D; 0, 1, 2 sector. The black dots mark the location of the analytically known QNFs for <italic>h</italic> &#x0003D; 0. <bold>(A)</bold> <italic>l</italic> &#x0003D; 0. <bold>(B)</bold> <italic>l</italic> &#x0003D; 1. <bold>(C)</bold> <italic>l</italic> &#x0003D; 2. <bold>(D)</bold> Logarithmic error against <italic>N</italic> for <italic>k</italic> &#x0003D; 2, &#x02026;, 9.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1472401-g0002.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows that pairs of QNFs do eventually meet and move off the real axis. In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, we show an example of one such interaction in the complex plane, which occurs when the quasinormal frequencies with <italic>l</italic> &#x0003D; 0, <italic>&#x003C3;</italic>(0) &#x0003D; &#x02212;2, &#x02212;3 coalesce and move into the complex plane at <italic>h</italic> &#x02248; 0.4645. We note that (within the accuracy of the numerics) it appears that we cannot identify a smooth curve <italic>&#x003C3;</italic>(<italic>h</italic>) of QNFs passing through the point at which the QNFs meet (and hence cease to be simple). Whichever branch we pick, the curve will have to turn through an angle of &#x003C0;/2 as <italic>h</italic> passes the critical value. The choices of <italic>h</italic> to plot were determined by setting <italic>h</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; 0.4645&#x0002B;<italic>&#x003F5;</italic><sub><italic>i</italic></sub>|<italic>&#x003F5;</italic><sub><italic>i</italic></sub>|, and taking <italic>&#x003F5;</italic><sub><italic>i</italic></sub> to be spaced uniformly in [&#x02212;1, 1]. This figure was computed with a depth <italic>k</italic> &#x0003D; 3 and <italic>N</italic> &#x0003D; 25 gridpoints, see &#x000A7;6.2.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Numerically determined QNFs in a neighborhood of the transition point at <italic>h</italic> &#x02248; 0.4645, at which the two real QNFs with <italic>l</italic> &#x0003D; 0, <italic>&#x003C3;</italic>(0) &#x0003D; &#x02212;2, &#x02212;3 meet and branch into a conjugate pair of complex QNFs. Arrows indicate the direction of increasing <italic>h</italic>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1472401-g0003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>6.2 The numerical scheme</title>
<p>The numerics in this section are performed using a null slicing, rather than the spacelike slicing introduced above, but the scheme can be readily adapted for a spacelike slicing. For convenience, we will take &#x003BA; &#x0003D; 1 from now on. Setting</p>
<disp-formula id="E33"><mml:math id="M139"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>the metric takes the form</p>
<disp-formula id="E34"><label>(11)</label><mml:math id="M140"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>To find the quasinormal frequencies, we seek solutions to <inline-formula><mml:math id="M141"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> of the form</p>
<disp-formula id="E35"><mml:math id="M142"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>If we define</p>
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M143"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>then</p>
<disp-formula id="E37"><mml:math id="M144"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so that to find quasinormal frequencies, we are led to consider the solvability of</p>
<disp-formula id="E38"><label>(12)</label><mml:math id="M145"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for given <italic>f</italic>, with <italic>f</italic>(0) &#x0003D; <italic>R</italic>(0) &#x0003D; 0 and <italic>R</italic> regular <italic>r</italic> &#x0003D; 1. Rather than directly discretize <xref ref-type="disp-formula" rid="E38">Equation 12</xref>, we first expand to a system of equations by differentiating the equation. We have the commutation relation</p>
<disp-formula id="E39"><mml:math id="M146"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Let <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M148"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M149"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then using the commutation relation, we can show that <xref ref-type="disp-formula" rid="E38">Equation 12</xref> implies</p>
<disp-formula id="E40"><mml:math id="M150"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M151"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are numerical (indeed integer) constants determined recursively by</p>
<disp-formula id="E41"><mml:math id="M152"><mml:mtable columnalign="right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with <inline-formula><mml:math id="M153"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for all <italic>i</italic>. Next, we set <inline-formula><mml:math id="M154"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for all <italic>i, j</italic> and recursively define</p>
<disp-formula id="E42"><mml:math id="M155"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with</p>
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M156"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>otherwise. Finally, set <inline-formula><mml:math id="M157"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M158"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for all <italic>i</italic> &#x02260; 0 and</p>
<disp-formula id="E44"><mml:math id="M159"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We can verify that <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which we expect as a consequence of the enhanced redshift effect (see Warnick and Dafermos&#x02013;Rodninski [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]).</p>
<p>To construct our numerical scheme, we fix an integer <italic>k</italic> &#x02265; 0, which we call the depth of the scheme. If <xref ref-type="disp-formula" rid="E38">Equation 12</xref> holds, then the system of equations:</p>
<disp-formula id="E45"><label>(13)</label><mml:math id="M161"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>will also hold. Here, we have used the fact that <inline-formula><mml:math id="M163"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to arrange that we have the operator <inline-formula><mml:math id="M164"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>L</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> acting as the principle differential operator on all components. This is the approach taken to increase the working regularity in the analysis of Warnick [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>].</p>
<p>We now treat <italic>R</italic><sup>0</sup>, &#x02026;, <italic>R</italic><sup><italic>k</italic></sup> as independent functions, and we discretize on the interval [0, 1] using a pseudospectral method, following Trefethen [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>]. The constants <italic>&#x003B1;</italic>, <italic>&#x003B2;</italic>, <italic>&#x003B3;</italic> are found recursively, and the derivatives <inline-formula><mml:math id="M165"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are computed exactly using Matlab&#x00027;s <italic>Symbolic Math Toolbox</italic> before discretization. We note that <italic>R</italic><sup><italic>p</italic></sup>(0) &#x0003D; 0 which gives a Dirichlet boundary condition at one end of our interval, and we do not need a boundary condition at <italic>r</italic> &#x0003D; 1 as the pseudospectral discretization will impose smoothness there automatically.</p>
<p>After discretizing on <italic>N</italic> points, <xref ref-type="disp-formula" rid="E45">Equation 13</xref> becomes</p>
<disp-formula id="E46"><label>(14)</label><mml:math id="M166"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for (<italic>kN</italic>) &#x000D7; (<italic>kN</italic>)-matrices <italic>A, B, C</italic> and column vectors <italic>V, F</italic> which represent the discretization of (<italic>R</italic><sup>0</sup>, &#x02026;, <italic>R</italic><sup><italic>k</italic></sup>), (<italic>f</italic><sup>0</sup>, &#x02026;, <italic>f</italic><sup><italic>k</italic></sup>), respectively. We work throughout at standard machine precision.</p>
<sec>
<title>6.2.1 The quasinormal spectrum</title>
<p>If <italic>&#x003C3;</italic> is a quasinormal frequency, then we expect the generalized eigenvalue problem</p>
<disp-formula id="E47"><mml:math id="M167"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>to have an eigenvalue near <italic>&#x003C3;</italic>. Thus, we can find the quasinormal frequencies by applying Matlab&#x00027;s generalized eigenvalue finder to <xref ref-type="disp-formula" rid="E46">Equation 14</xref>. However, by enlarging the original problem to a system, we may have introduced spurious eigenvalues which correspond to vectors <italic>V</italic> for which the condition</p>
<disp-formula id="E48"><label>(15)</label><mml:math id="M168"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>does not hold. To enforce this condition, we select only those eigenvalues of <xref ref-type="disp-formula" rid="E46">14</xref> for which (the discretized version of)</p>
<disp-formula id="E49"><mml:math id="M169"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mo>||</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>holds, where <italic>e</italic> is a sufficiently small threshold parameter, which we take to be 10<sup>&#x02212;1</sup> for the computations in this study.</p>
<p>Plots 2a&#x02013;c show the numerically computed quasinormal spectrum in the <italic>l</italic> &#x0003D; 0, 1, 2 sector as <italic>h</italic> varies, computed using <italic>k</italic> &#x0003D; 6, <italic>N</italic> &#x0003D; 25. Plot 2d shows the error in the scheme when computing the eigenvalue at <italic>&#x003C3;</italic> &#x0003D; &#x02212;4 for various values of <italic>k</italic>. We see (as has been observed in other situations [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]) that for a given value of <italic>k</italic>, the pseudospectral method in fact can accurately find quasinormal frequencies even outside the domain <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub> in which we expect the numerics to converge.</p></sec>
<sec>
<title>6.2.2 The pseudospectra</title>
<p>To compute pseudospectra for different <italic>k</italic>, we need to numerically approximate <inline-formula><mml:math id="M170"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We can approximate this by computing</p>
<disp-formula id="E50"><mml:math id="M171"><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>&#x003A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003A0; is the <italic>L</italic><sup>2</sup>&#x02212;orthogonal projector onto the space of vectors <italic>F</italic> of the form (<italic>f</italic><sup>0</sup>, &#x02026;, <italic>f</italic><sup><italic>k</italic></sup>), where <inline-formula><mml:math id="M172"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This projection is necessary to account for the enlargement of our space by considering the system of higher derivatives. Since for such an <italic>F</italic> we have<xref ref-type="fn" rid="fn0008"><sup>8</sup></xref> <inline-formula><mml:math id="M173"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> we can approximately compute the <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup> operator norm of <inline-formula><mml:math id="M174"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> by the <italic>&#x02113;</italic><sup>2</sup> operator norm of the approximating matrix.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, we show the numerically computed pseudospectra for <italic>k</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, 6. We see that in all cases the pseudospectrum is well-behaved in the region <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>, but that the contours open out significantly once we leave this region. We expect that the fact that the contour curves can leave <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub> at all is a feature of the finite truncation. We observe the phenomenon noted above that the spectral method finds quasinormal frequencies accurately, even in the region of the plane that we expect significant numerical instability. For example, in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref> we see the first five frequencies accurately computed, even though only the first is actually in <italic>U</italic><sub>1</sub>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Numerically computed contour lines <inline-formula><mml:math id="M175"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for 1 &#x02264; <italic>k</italic> &#x02264; 6. The black dashed line indicates the boundary of <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>. Black dots are the QNFs of <inline-formula><mml:math id="M176"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> computed by the numerical algorithm with <italic>N</italic> &#x0003D; 35. <bold>(A)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 1. <bold>(B)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 2. <bold>(C)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 3. <bold>(D)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 4. <bold>(E)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 5. <bold>(F)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 6.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1472401-g0004.tif"/>
</fig>
<p>To verify convergence of the numerical operator norm, in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> we show the approximated values of <inline-formula><mml:math id="M177"><mml:mo>||</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> at <italic>s</italic> &#x0003D; &#x02212;4 &#x0002B; <italic>i</italic> for <italic>k</italic> &#x0003D; 2 and <italic>k</italic> &#x0003D; 4 as <italic>N</italic> varies. As expected, in the <italic>k</italic> &#x0003D; 2 case we see divergence, since for this <italic>k</italic> our choice of <italic>s</italic> does not belong to <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>. For the case <italic>k</italic> &#x0003D; 4, we are in the region <italic>U</italic><sub><italic>k</italic></sub>, and we see good convergence. This can be compared to Figure 7 of [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. We should mention that the pseudospectrum for this operator according to the standard definition has been computed for <italic>k</italic> &#x0003D; 1 in [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>], which appeared slightly before this study&#x02014;see their Figure 11.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Convergence of <inline-formula><mml:math id="M178"><mml:mo>||</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> at <italic>s</italic><sub>0</sub> &#x0003D; &#x02212;4&#x0002B;<italic>i</italic> for <italic>k</italic> &#x0003D; 2 and <italic>k</italic> &#x0003D; 4. <bold>(A)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 2. <bold>(B)</bold> <italic>k</italic> &#x0003D; 4.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1472401-g0005.tif"/>
</fig>
</sec></sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s7">
<title>7 Conclusion</title>
<p>We have investigated the stability of the quasinormal spectrum of the conformal wave equation on the static patch of de Sitter. We find that the quasinormal frequencies are stable, provided the perturbing potential is small in a sufficiently high regularity norm. Conversely, one could instead interpret this as a spectral <italic>instability</italic> for perturbing potentials which are not sufficiently regular at the cosmological horizon. We numerically verify our computations using a spectral method and propose a definition for a family of pseudospectra that demonstrate good convergence properties and capture the (in)stability of the quasinormal frequencies.</p></sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s8">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s9">
<title>Author contributions</title>
<p>CW: Writing &#x02013; original draft, Writing &#x02013; review &#x00026; editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s10">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that no financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article.</p>
</sec>
<ack><p>I am grateful to Jason Joykutty and Dejan Gajic for several valuable discussions on the topic of pseudospectral instability of black holes. I am especially grateful to Jos&#x000E9; Luis Jaramillo for discussions and very helpful comments on this manuscript. I am also grateful to the The Erwin Schr&#x000F6;dinger International Institute for Mathematics and Physics in Vienna for hosting the programme &#x0201C;Spectral Theory and Mathematical Relativity&#x0201D; in Summer 2023, during which I started thinking about this problem.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The author declares that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x00027;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>see [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] and references therein for a historical overview of this problem</p></fn>
<fn id="fn0002"><p><sup>2</sup>A further complication can arise where the perturbations are presumed to have a time dependence with a typical timescale much shorter than the quasinormal frequencies, in which case one may hope to attempt some averaging procedure (see [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>, &#x000A7;3.5 d]).</p></fn>
<fn id="fn0003"><p><sup>3</sup>&#x0201C;<italic>...we find that the fundamental mode is, in general, insensitive to small changes in the potential, whereas the higher modes could alter drastically.&#x0201D;</italic></p></fn>
<fn id="fn0004"><p><sup>4</sup>Derivatives should be understood in the distributional sense.</p></fn>
<fn id="fn0005"><p><sup>5</sup>Roughly speaking, for a perturbation in <italic>H</italic><sup><italic>k</italic></sup>, the fraction of the total energy carried by wavenumbers greater than &#x003BC; is bounded by a constant multiple of &#x003BC;<sup>&#x02212;2<italic>k</italic></sup> for large &#x003BC;.</p></fn>
<fn id="fn0006"><p><sup>6</sup>The pseudospectrum is usually defined as a closed set, with &#x02265; in place of &#x0003E;; however, the open condition generalizes more straightforwardly to the infinite dimensional case.</p></fn>
<fn id="fn0007"><p><sup>7</sup>The pseudospectrum is a property of the <italic>unperturbed</italic> operator; hence, we set <italic>h</italic> &#x0003D; 0.</p></fn>
<fn id="fn0008"><p><sup>8</sup>In fact this is the discretized version of a <italic>weighted</italic> Sobolev nor; however, since the weights only degenerate near <italic>r</italic> &#x0003D; 0, this is adequate for our purposes.</p></fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Vasy</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Microlocal analysis of asymptotically hyperbolic and Kerr-de Sitter spaces (with an appendix by Semyon Dyatlov)</article-title>. <source>Inventiones Mathematicae</source>. (<year>2013</year>) <volume>194</volume>:<fpage>381</fpage>&#x02013;<lpage>513</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1012.4391</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Warnick</surname> <given-names>CM</given-names></name></person-group>. <article-title>On quasinormal modes of asymptotically Anti-de Sitter black holes</article-title>. <source>Commun Math Phys</source>. (<year>2015</year>) <volume>333</volume>:<fpage>5760</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1306.5760</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dyatlov</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Zworski</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <source>Mathematical Theory of Scattering Resonances. Graduate Studies in Mathematics</source>. (<year>2019</year>). Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://api.semanticscholar.org/CorpusID:216573983">https://api.semanticscholar.org/CorpusID:216573983</ext-link></citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gajic</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Warnick</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Quasinormal modes in extremal Reissner&#x02014;Nordstr&#x000F6;m Spacetimes</article-title>. <source>Commun Math Phys</source>. (<year>2021</year>) <volume>385</volume>:<fpage>8479</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1910.08479</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stucker</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <source>Quasinormal Modes for the Kerr Black Hole</source> (<year>2024</year>). p. 7.</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gajic</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Warnick</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>A model problem for quasinormal ringdown of asymptotically flat or extremal black holes</article-title>. <source>J Math Phys</source>. (<year>2020</year>) <volume>61</volume>:<fpage>8481</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1910.08481</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gajic</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Warnick</surname> <given-names>CM</given-names></name></person-group>. <source>Quasinormal Modes on Kerr Spacetimes</source> (<year>2024</year>). p. 7.</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Aguirregabiria</surname> <given-names>JM</given-names></name> <name><surname>Vishveshwara</surname> <given-names>CV</given-names></name></person-group>. <article-title>Scattering by black holes: a simulated potential approach</article-title>. <source>Phys Lett A</source>. (<year>1996</year>) <volume>210</volume>:<fpage>251</fpage>&#x02013;<lpage>4</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Vishveshwara</surname> <given-names>CV</given-names></name></person-group>. <article-title>On the black hole trail </article-title>...: a personal journey. In: <italic>18th Conference of the Indian Association for General Relativity and Gravitation</italic> (<year>1996</year>). p. <fpage>11</fpage>&#x02013;<lpage>22</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nollert</surname> <given-names>HP</given-names></name></person-group>. <article-title>About the significance of quasinormal modes of black holes</article-title>. <source>Phys Rev D</source>. (<year>1996</year>) <volume>53</volume>:<fpage>4397</fpage>&#x02013;<lpage>402</lpage>.<pub-id pub-id-type="pmid">10020438</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nollert</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Price</surname> <given-names>RH</given-names></name></person-group>. <article-title>Quantifying excitations of quasinormal mode systems</article-title>. <source>J Math Phys</source>. (<year>1999</year>) <volume>40</volume>:<fpage>980</fpage>&#x02013;<lpage>1010</lpage>.<pub-id pub-id-type="pmid">37126278</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bizo&#x00144;</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Chmaj</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Mach</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>A toy model of hyperboloidal approach to quasinormal modes</article-title>. <source>Acta Phys Polon B</source>. (<year>2020</year>) <volume>51</volume>:<fpage>1007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2002.01770</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ansorg</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Macedo</surname> <given-names>RP</given-names></name></person-group>. <article-title>Spectral decomposition of black-hole perturbations on hyperboloidal slices</article-title>. <source>Phys Rev D</source>. (<year>2016</year>) <volume>93</volume>:<fpage>124016</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1604.02261</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Panosso Macedo</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Jaramillo</surname> <given-names>JL</given-names></name> <name><surname>Ansorg</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Hyperboloidal slicing approach to quasi-normal mode expansions: the Reissner-Nordstr&#x000F6;m case</article-title>. <source>Phys Rev D</source>. (<year>2018</year>) <volume>98</volume>:<fpage>124005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1809.02837</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Panosso</surname> <given-names>Macedo R</given-names></name></person-group>. <article-title>Hyperboloidal framework for the Kerr spacetime</article-title>. <source>Class Quant Grav</source>. (<year>2020</year>) <volume>37</volume>:<fpage>65019</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1910.13452</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jaramillo</surname> <given-names>JL</given-names></name> <name><surname>Panosso Macedo</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Al Sheikh</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>Pseudospectrum and black hole quasinormal mode instability</article-title>. <source>Phys Rev X</source>. (<year>2021</year>) <volume>11</volume>:<fpage>31003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2004.06434</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Al</surname> <given-names>Sheikh L</given-names></name></person-group>. <source>Scattering Resonances and Pseudospectrum: Stability and Completeness Aspects in Optical and Gravitational Systems</source>. <publisher-loc>Besan&#x000E7;on</publisher-loc>: <publisher-name>Universit&#x000E9; Bourgogne Franche-Comt&#x000E9;</publisher-name> (<year>2022</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cheung</surname> <given-names>MHY</given-names></name> <name><surname>Destounis</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Macedo</surname> <given-names>RP</given-names></name> <name><surname>Berti</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Cardoso</surname> <given-names>V</given-names></name></person-group>. <article-title>Destabilizing the fundamental mode of black holes: the elephant and the flea</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2022</year>) <volume>128</volume>:<fpage>111103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2111.05415</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">35363003</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sarkar</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Rahman</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Chakraborty</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Perturbing the perturbed: stability of quasinormal modes in presence of a positive cosmological constant</article-title>. <source>Phys Rev D</source>. (<year>2023</year>) <volume>108</volume>:<fpage>104002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2304.06829</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Are&#x000E1;n</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Fari&#x000F1;a</surname> <given-names>DG</given-names></name> <name><surname>Landsteiner</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Pseudospectra of holographic quasinormal modes</article-title>. <source>J High Energy Phys</source>. (<year>2023</year>) <volume>2023</volume>:<fpage>187</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2307.08751</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Destounis</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Duque</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>Black-hole spectroscopy: quasinormal modes, ringdown stability and the pseudospectrum</article-title>. In:<person-group person-group-type="editor"><name><surname>Papantonopoulos</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Mavromatos</surname> <given-names>N</given-names></name></person-group>, editors. <source>Compact Objects in the Universe.</source> <publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2024</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-031-55098-0_6</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cownden</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Pantelidou</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Zilh&#x000E3;o</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>The pseudospectra of black holes in AdS</article-title>. <source>J High Energy Phys</source>. (<year>2024</year>) <volume>2024</volume>:<fpage>202</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2312.08352</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boyanov</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Cardoso</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Destounis</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Jaramillo</surname> <given-names>JL</given-names></name> <name><surname>Panosso Macedo</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Structural aspects of the anti-de Sitter black hole pseudospectrum</article-title>. <source>Phys Rev D</source>. (<year>2024</year>) <volume>109</volume>:<fpage>64068</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2312.11998</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jaramillo</surname> <given-names>JL</given-names></name></person-group>. <article-title>Pseudospectrum and binary black hole merger transients</article-title>. <source>Class Quant Grav</source>. (<year>2022</year>) <volume>39</volume>:<fpage>217002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2206.08025</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gasper&#x000ED;n</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Jaramillo</surname> <given-names>JL</given-names></name></person-group>. <article-title>Energy scales and black hole pseudospectra: the structural role of the scalar product</article-title>. <source>Class Quant Grav</source>. (<year>2022</year>) <volume>39</volume>:<fpage>115010</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2107.12865</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Besson</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Boyanov</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Jaramillo</surname> <given-names>JL</given-names></name></person-group>. <source>Black Hole Quasi-Normal Modes as Eigenvalues: Definition and Stability Problem, in Preparation</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hintz</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Xie</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Quasinormal modes and dual resonant states on de Sitter space</article-title>. <source>Phys Rev D</source>. (<year>2021</year>) <volume>104</volume>:<fpage>64037</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2104.11810</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hintz</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Xie</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Quasinormal modes of small Schwarzschil&#x02014;de Sitter black holes</article-title>. <source>J Math Phys</source>. (<year>2022</year>) <volume>63</volume>:<fpage>2347</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2105.02347</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">29400502</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Joykutty</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Existence of zero-damped quasinormal frequencies for nearly extremal black holes</article-title>. <source>Annales Henri Poincar&#x000E9;</source>. (<year>2022</year>) <volume>23</volume>:<fpage>4343</fpage>&#x02013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2112.05669</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Trefethen</surname> <given-names>LN</given-names></name></person-group>. <article-title>Spectra and pseudospectra</article-title>. In:<person-group person-group-type="editor"><name><surname>Ainsworth</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Levesley</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Marletta</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>, editors. <source>The Graduate Student&#x00027;s Guide to Numerical Analysis 98: Lecture Notes from the VIII EPSRC Summer School in Numerical Analysis</source>. Berlin; Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg (<year>1999</year>). p. <fpage>217</fpage>&#x02013;<lpage>50</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Embree</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Trefethen</surname> <given-names>LN</given-names></name></person-group>. <source>Pseudospectra Gateway</source>. Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.comlab.ox.ac.uk/pseudospectra">http://www.comlab.ox.ac.uk/pseudospectra</ext-link> (accessed July 28, 2024).</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>van Dorsselaer</surname> <given-names>JLM</given-names></name> <name><surname>Kraaijevanger</surname> <given-names>JFBM</given-names></name> <name><surname>Spijker</surname> <given-names>MN</given-names></name></person-group>. <article-title>Linear stability analysis in the numerical solution of initial value problems</article-title>. <source>Acta Numerica</source>. (<year>1993</year>) <volume>2</volume>:<fpage>199</fpage>&#x02013;<lpage>237</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Joykutty</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <source>Quasinormal Modes of Nearly Extremal Black Holes</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Department of Applied Mathematics And Theoretical Physics, Cambridge University</publisher-name> (<year>2024</year>).<pub-id pub-id-type="pmid">29400502</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dafermos</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rodnianski</surname> <given-names>I</given-names></name></person-group>. <article-title>Lectures on black holes and linear waves</article-title>. <source>Clay Math Proc</source>. (<year>2013</year>) <volume>17</volume>:<fpage>97</fpage>&#x02013;<lpage>205</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.0811.0354</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Trefethen</surname> <given-names>LN</given-names></name></person-group>. <source>Spectral Methods in MATLAB</source>. Society for Industrial and Applied Mathematics (<year>2000</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/1.9780898719598</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Carballo</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Withers</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Transient dynamics of quasinormal mode sums</article-title>. <source>arXiv:240606685</source>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2406.06685</pub-id></citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>











