Многочлен элементов матрицы
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]
- perm( A ) инвариантен относительно произвольных перестановок строк и/или столбцов A . Это свойство можно записать символически как perm( A ) = perm( PAQ ) для любых матриц перестановок P и Q соответствующего размера ,
- умножение любой отдельной строки или столбца A на скаляр s изменяет perm( A ) на s ⋅perm( A ),
- perm( A ) инвариантен относительно транспонирования , то есть perm( A ) = perm( A T ).
- Если и являются квадратными матрицами порядка n , то [8] где s и t являются подмножествами одинакового размера {1,2,..., n } и являются их соответствующими дополнениями в этом множестве.
- Если — треугольная матрица , т.е. всякий раз, когда или, альтернативно, всякий раз , когда , то ее перманент (а также определитель) равен произведению диагональных элементов:
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 , k -ю тензорную 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 ≤ i ≤ n , 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
- ^ Маркус, Марвин ; Минк, Генрик (1965). «Перманенты». Amer. Math. Monthly . 72 (6): 577–591. doi :10.2307/2313846. JSTOR 2313846.
- ^ Минк (1978)
- ^ Мьюир и Метцлер (1960)
- ^ 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
- ^ Мьюир и Метцлер (1960)
- ^ ван Линт и Уилсон 2001, с. 108
- ^ Райзер 1963, стр. 25 – 26
- ^ Перкус 1971, стр. 2
- ^ ab Percus 1971, стр. 12
- ^ ab Ryser 1963, стр. 26
- ^ Ааронсон, Скотт (14 ноября 2010 г.). «Вычислительная сложность линейной оптики». arXiv : 1011.3245 [quant-ph].
- ^ Бхатия, Раджендра (1997). Матричный анализ . Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 16–19. ISBN 978-0-387-94846-1.
- ^ ab Ryser 1963, стр. 124
- ^ Райзер 1963, стр. 125
- ^ 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
- ^ ван Линт и Уилсон 2001, стр. 101
- ^ ван дер Варден, BL (1926), «Aufgabe 45», Jber. немецкий. Math.-Verein. , 35 : 117.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Бруальди (2006) стр.487
- ↑ Премия Фулкерсона, Общество математической оптимизации, получено 19 августа 2012 г.
- ^ Райзер (1963, стр. 27)
- ^ ван Линт и Уилсон (2001), с. 99
- ^ 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
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Перкус 1971, стр. 14
- ^ Перкус 1971, стр. 17
- ^ В частности, это делают Минц (1978) и Райзер (1963).
- ^ Райзер 1963, стр. 25
- ^ Райзер 1963, стр. 54
Ссылки
- Brualdi, Richard A. (2006). Комбинаторные матричные классы . Энциклопедия математики и ее приложений. Том 108. Кембридж: Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-86565-4. Збл 1106.05001.
- Minc, Henryk (1978). Permanents . Энциклопедия математики и ее приложений. Том 6. С предисловием Марвина Маркуса. Reading, MA: Addison–Wesley. ISSN 0953-4806. OCLC 3980645. Zbl 0401.15005.
- Мьюир, Томас; Метцлер, Уильям Х. (1960) [1882]. Трактат о теории определителей . Нью-Йорк: Довер. OCLC 535903.
- Перкус, Дж. К. (1971), Комбинаторные методы , Прикладные математические науки № 4, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-90027-8
- Райзер, Герберт Джон (1963), Комбинаторная математика , Математические монографии Каруса № 14, Математическая ассоциация Америки
- ван Линт, Дж. Х.; Уилсон, Р. М. (2001), Курс комбинаторики , Cambridge University Press, ISBN 978-0521422604
Дальнейшее чтение
- Холл-младший, Маршалл (1986), Комбинаторная теория (2-е изд.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons, стр. 56–72, ISBN 978-0-471-09138-7Содержит доказательство гипотезы Ван дер Вардена.
- Маркус, М.; Минк, Х. (1965), «Перманенты», The American Mathematical Monthly , 72 (6): 577–591, doi :10.2307/2313846, JSTOR 2313846
Внешние ссылки