stringtranslate.com

Постоянный (математика)

В линейной алгебре перманент квадратной матрицы это функция матрицы, аналогичная определителю . Перманент, как и определитель, является полиномом от элементов матрицы. [1] Оба являются частными случаями более общей функции матрицы, называемой имманантом .

Определение

Перманент матрицы A = ( a i,j ) размером n × n определяется как

Сумма здесь распространяется на все элементы σ симметрической группы S n , т.е. на все перестановки чисел 1, 2, ..., n .

Например,

и

Определение перманента A отличается от определения A тем , что сигнатуры перестановок не принимаются во внимание.

Перманент матрицы A обозначается per A , perm A или Per A , иногда со скобками вокруг аргумента. Minc использует Per( A ) для перманента прямоугольных матриц и per( A ), когда A — квадратная матрица. [2] Мьюир и Метцлер используют обозначение . [3]

Слово « перманент » возникло в 1812 году у Коши как «fonctions symétriques permanentes» для обозначения родственного типа функции [4] и использовалось Мюиром и Метцлером [5] в современном, более конкретном смысле. [6]

Характеристики

Если рассматривать перманент как карту, которая принимает n векторов в качестве аргументов, то это мультилинейная карта , и она симметрична (это означает, что любой порядок векторов приводит к одному и тому же перманенту). Кроме того, если задана квадратная матрица порядка n : [7]

Отношение к детерминантам

Расширение Лапласа по минорам для вычисления определителя по строке, столбцу или диагонали распространяется на перманент, игнорируя все знаки. [9]

Для каждого ,

где — запись i -й строки и j -го столбца матрицы B , а — постоянная подматрицы, полученной путем удаления i - й строки и j -го столбца матрицы B.

Например, расширяясь по первому столбцу,

в то время как расширение вдоль последней строки дает,

С другой стороны, основное мультипликативное свойство детерминантов недействительно для перманентов. [10] Простой пример показывает, что это так.

В отличие от определителя, перманент не имеет простой геометрической интерпретации; он в основном используется в комбинаторике , при обработке бозонных функций Грина в квантовой теории поля и при определении вероятностей состояний систем выборки бозонов . [11] Однако он имеет две графово-теоретические интерпретации: как сумма весов циклических покрытий ориентированного графа и как сумма весов совершенных паросочетаний в двудольном графе .

Приложения

Симметричные тензоры

Перманент естественным образом возникает при изучении симметричной тензорной степени гильбертовых пространств . [12] В частности, для гильбертова пространства , пусть обозначает -ю симметричную тензорную степень , которая является пространством симметричных тензоров . Заметим, в частности, что охватывается симметричными произведениями элементов в . Для мы определяем симметричное произведение этих элементов как Если мы рассмотрим (как подпространство , kтензорную степень ) и определим скалярное произведение на соответствующим образом, мы найдем, что для Применяя неравенство Коши–Шварца , мы найдем, что , и что

Чехлы для велосипедов

Любую квадратную матрицу можно рассматривать как матрицу смежности взвешенного ориентированного графа на множестве вершин , с представлением веса дуги из вершины i в вершину j . Покрытие циклов взвешенного ориентированного графа представляет собой набор вершинно-непересекающихся направленных циклов в орграфе, который покрывает все вершины в графе. Таким образом, каждая вершина i в орграфе имеет уникального «последователя» в покрытии циклов и, таким образом, представляет собой перестановку на V . Наоборот, любая перестановка на V соответствует покрытию циклов с дугами из каждой вершины i в вершину .

Если вес циклического покрытия определяется как произведение весов дуг в каждом цикле, то, подразумевая, что Таким образом, перманент A равен сумме весов всех циклических покрытий орграфа.

Идеальное соответствие

Квадратную матрицу можно также рассматривать как матрицу смежности двудольного графа , имеющего вершины с одной и с другой стороны, с представлением веса ребра от вершины до вершины . Если вес идеального паросочетания, соответствующего вершине , определяется как произведение весов ребер в паросочетании, то Таким образом, перманент A равен сумме весов всех идеальных паросочетаний графа.

Перманенты матриц (0, 1)

Перечисление

Ответы на многие вопросы по подсчету можно вычислить как постоянные матриц, которые содержат только 0 и 1 в качестве элементов.

Пусть Ω( n , k ) будет классом всех (0, 1)-матриц порядка n с суммой каждой строки и столбца, равной k . Каждая матрица A в этом классе имеет perm( A ) > 0. [13] Матрицы инцидентности проективных плоскостей находятся в классе Ω( n 2 + n + 1, n + 1) для n целого числа > 1. Были вычислены перманенты, соответствующие наименьшим проективным плоскостям. Для n = 2, 3 и 4 значения равны 24, 3852 и 18 534 400 соответственно. [13] Пусть Z будет матрицей инцидентности проективной плоскости с n = 2, плоскостью Фано . Примечательно, что perm( Z ) = 24 = |det ( Z )|, абсолютное значение определителя Z . Это является следствием того, что Z является циркулянтной матрицей , и теоремы: [14]

Если A — циркулянтная матрица в классе Ω( n , k ), то при k  > 3 perm( A ) > |det ( A )| и при k  = 3 perm( A ) = |det ( A )|. Более того, при k  = 3 путем перестановки строк и столбцов A можно привести к виду прямой суммы e копий матрицы Z и, следовательно, n  = 7 e и perm( A ) = 24 e .

Перманенты также могут использоваться для вычисления числа перестановок с ограниченными (запрещенными) позициями. Для стандартного n -множества {1, 2, ..., n } пусть будет (0, 1)-матрицей, где a ij = 1, если i  →  j разрешено в перестановке, и a ij = 0 в противном случае. Тогда perm( A ) равно числу перестановок n -множества, которые удовлетворяют всем ограничениям. [9] Два хорошо известных частных случая этого - это решение проблемы расстройства и проблемы управления : число перестановок n -множества без неподвижных точек (расстройств) задается как

где J — матрица размером n × n, состоящая из всех единиц, а I — единичная матрица, а числа управления задаются как

где I' — (0, 1)-матрица с ненулевыми элементами в позициях ( i , i + 1) и ( n , 1).

Границы

Неравенство Брегмана–Минца , выдвинутое Х. Минцем в 1963 году [15] и доказанное Л. М. Брегманом в 1973 году [16], дает верхнюю границу для перманента n × n (0, 1)-матрицы. Если A имеет r i единиц в строке i для каждого 1 ≤ in , неравенство утверждает, что

Гипотеза Ван дер Вардена

В 1926 году Ван дер Варден предположил, что минимальный перманент среди всех дважды стохастических матриц размера n × n равен n !/ n n , что достигается матрицей, все элементы которой равны 1/ n . [17] Доказательства этой гипотезы были опубликованы в 1980 году Б. Джирсом [18] и в 1981 году Г. П. Егорычевым [19] и Д. И. Фаликманом; [20] Доказательство Егорычева является применением неравенства Александрова–Фенхеля . [21] За эту работу Егорычев и Фаликман получили премию Фулкерсона в 1982 году . [22]

Вычисление

Наивный подход, использующий определение, вычисления перманентов вычислительно невыполним даже для относительно небольших матриц. Один из самых быстрых известных алгоритмов принадлежит HJ Ryser . [23] Метод Ryser основан на формуле включения-исключения , которая может быть задана [24] следующим образом: Пусть будет получено из A путем удаления k столбцов, пусть будет произведением строковых сумм , и пусть будет суммой значений по всем возможным . Тогда

Его можно переписать в терминах матричных записей следующим образом:

Считается, что перманент вычислить сложнее, чем определитель. В то время как определитель можно вычислить за полиномиальное время методом исключения Гаусса , метод исключения Гаусса нельзя использовать для вычисления перманента. Более того, вычисление перманента (0,1)-матрицы является #P-полным . Таким образом, если перманент можно вычислить за полиномиальное время любым методом, то FP  =  #P , что является даже более сильным утверждением, чем P = NP . Однако, когда элементы A неотрицательны, перманент можно вычислить приблизительно за вероятностное полиномиальное время с точностью до , где — значение перманента, а — произвольно. [25] Перманент определенного набора положительных полуопределенных матриц является NP-трудным для аппроксимации с точностью до любого субэкспоненциального множителя. [26] Если на спектр наложить дополнительные условия , то перманент может быть аппроксимирован за вероятностное полиномиальное время: наилучшая достижимая ошибка этого приближения равна ( — снова значение перманента). [27] Сложность в этих случаях тесно связана с трудностью моделирования экспериментов по выборке бозонов .

Основная теорема Мак-Магона

Другой способ просмотра постоянных — через многомерные производящие функции . Пусть будет квадратной матрицей порядка n . Рассмотрим многомерную производящую функцию: Коэффициент в равен perm( A ). [28]

В качестве обобщения, для любой последовательности из n неотрицательных целых чисел, определим: как коэффициент при

Основная теорема Мак-Магона, связывающая перманенты и определители, выглядит следующим образом: [29] где I — единичная матрица порядка n , а X — диагональная матрица с диагональю

Прямоугольные матрицы

Перманентную функцию можно обобщить для применения к неквадратным матрицам. Действительно, несколько авторов делают это определением перманента и рассматривают ограничение на квадратные матрицы как особый случай. [30] В частности, для матрицы m  ×  n с m  ≤  n , определите, где P( n , m ) — это множество всех m -перестановок n -множества {1,2,...,n}. [31]

Вычислительный результат Райзера для перманентов также обобщает. Если A — матрица m  ×  n с m  ≤  n , пусть будет получена из A путем удаления k столбцов, пусть будет произведением строковых сумм , и пусть будет суммой значений по всем возможным . Тогда [10]

Системы отдельных представителей

Обобщение определения перманента на неквадратные матрицы позволяет использовать эту концепцию более естественным образом в некоторых приложениях. Например:

Пусть S 1 , S 2 , ..., S m будут подмножествами (не обязательно различными) n -множества с m  ≤  n . Матрица инцидентности этого набора подмножеств представляет собой m  ×  n (0,1)-матрицу A . Число систем различных представителей (SDR) этого набора равно perm( A ). [32]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Маркус, Марвин ; Минк, Генрик (1965). «Перманенты». Amer. Math. Monthly . 72 (6): 577–591. doi :10.2307/2313846. JSTOR  2313846.
  2. ^ Минк (1978)
  3. ^ Мьюир и Метцлер (1960)
  4. ^ Коши, AL (1815), «Mémoire sur les fonctions qui ne peuvent obtenir que deux valeurs égales et de Signes contraires par suite des transpositions opérées entre lesvarium qu'elles renferment.», Journal de l'École Polytechnique , 10 : 91 –169
  5. ^ Мьюир и Метцлер (1960)
  6. ^ ван Линт и Уилсон 2001, с. 108
  7. ^ Райзер 1963, стр. 25 – 26
  8. ^ Перкус 1971, стр. 2
  9. ^ ab Percus 1971, стр. 12
  10. ^ ab Ryser 1963, стр. 26
  11. ^ Ааронсон, Скотт (14 ноября 2010 г.). «Вычислительная сложность линейной оптики». arXiv : 1011.3245 [quant-ph].
  12. ^ Бхатия, Раджендра (1997). Матричный анализ . Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 16–19. ISBN 978-0-387-94846-1.
  13. ^ ab Ryser 1963, стр. 124
  14. ^ Райзер 1963, стр. 125
  15. ^ Минк, Генрик (1963), «Верхние оценки для перманентов (0,1)-матриц», Бюллетень Американского математического общества , 69 (6): 789–791, doi : 10.1090/s0002-9904-1963-11031-9
  16. ^ ван Линт и Уилсон 2001, стр. 101
  17. ^ ван дер Варден, BL (1926), «Aufgabe 45», Jber. немецкий. Math.-Verein. , 35 : 117.
  18. ^ Гирес, Б. (2022), «Общий источник нескольких неравенств, касающихся дважды стохастических матриц», Publicationes Mathematicae Institutum Mathematicum Universitatis Debreceniensis , 27 (3–4): 291–304, doi : 10.5486/PMD.1980.27.3- 4.15 , МР  0604006.
  19. ^ Егорычев, Г.П. (1980), Решение проблемы ван-дер-Вардена для перманентов , Красноярск: Акад. Наук СССР Сибирск. Отдел. Инст. Физ., с. 12, МР  0602332. Егорычев, Г.П. (1981), "Доказательство гипотезы Ван дер Вардена для перманентов", Академия наук СССР , 22 (6): 65–71, 225, MR  0638007. Егорычев, ГП (1981), «Решение проблемы Ван дер Вардена для перманентов», Успехи математики , 42 (3): 299–305, doi : 10.1016/0001-8708(81)90044-X , MR  0642395.
  20. ^ Фаликман, Д.И. (1981), «Доказательство гипотезы Ван дер Вардена о перманенте дважды стохастической матрицы», Академия наук Союза ССР , 29 (6): 931–938, 957, MR  0625097.
  21. ^ Бруальди (2006) стр.487
  22. Премия Фулкерсона, Общество математической оптимизации, получено 19 августа 2012 г.
  23. ^ Райзер (1963, стр. 27)
  24. ^ ван Линт и Уилсон (2001), с. 99
  25. ^ Джеррум, М.; Синклер , А.; Вигода, Э. (2004), «Алгоритм аппроксимации полиномиальным временем для перманента матрицы с неотрицательными элементами», Журнал ACM , 51 (4): 671–697, CiteSeerX 10.1.1.18.9466 , doi :10.1145/1008731.1008738, S2CID  47361920 
  26. ^ Мейбург, Александр (2023). «Неаппроксимируемость положительных полуопределенных постоянных и квантовая томография состояний». Algorithmica . 85 (12): 3828–3854. arXiv : 2111.03142 . doi : 10.1007/s00453-023-01169-1 .
  27. ^ Чахмахчян, Левон; Серф, Николас; Гарсия-Патрон, Рауль (2017). «Квантовый алгоритм для оценки перманента положительных полуопределенных матриц». Phys. Rev. A. 96 ( 2): 022329. arXiv : 1609.02416 . Bibcode : 2017PhRvA..96b2329C. doi : 10.1103/PhysRevA.96.022329. S2CID  54194194.
  28. ^ Перкус 1971, стр. 14
  29. ^ Перкус 1971, стр. 17
  30. ^ В частности, это делают Минц (1978) и Райзер (1963).
  31. ^ Райзер 1963, стр. 25
  32. ^ Райзер 1963, стр. 54

Ссылки

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки