Матричное представление перестановок

2019-12-03T18:00:38Z

128.72.125.170: /* Свойства */ Исправление опечатки

__TOC__
==Матрица перестановок==
{{Определение
|definition=
'''Матрица перестановок''' (англ. ''Permutation matrix'') — квадратная бинарная матрица, в каждой строке и в каждом столбце которой находится лишь одна единица.}}

Каждая матрица перестановки размера <tex>n \times n</tex> является матричным представлением перестановки порядка <tex>n</tex>.

Пусть дана перестановка <tex>\sigma</tex> порядка <tex>n</tex>:
: <tex>\begin{pmatrix}
1 & 2& \ldots & n\\
\sigma(1)& \sigma(2) & \ldots & \sigma(n)
\end{pmatrix}</tex>

Соответствующей матрицей перестановки является матрица <tex>n \times n</tex> вида:
: <tex>P_\sigma = \begin{pmatrix}
\mathbf{e}_{\sigma(1)}\\
\mathbf{e}_{\sigma(2)}\\
\vdots \\
\mathbf{e}_{\sigma(n)}
\end{pmatrix}</tex>, где <tex>\mathbf{e}_{i}</tex> — двоичный вектор длины <tex>n</tex>, <tex>i</tex>-й элемент которого равен единице, а остальные равны нулю.

===Элементарная матрица перестановок===

{{Определение
|definition=
Если матрица перестановок <tex>P</tex> получена из единичной матрицы <tex>E</tex> перестановкой местами двух строк (или двух столбцов), то такая матрица называется '''элементарной матрицей перестановок''' (англ. ''Elementary permutation matrix''). }}

===Пример===

Пусть дана перестановка: <tex>\pi = \begin{pmatrix}
1 & 2 & 3\\
1 & 3 & 2
\end{pmatrix}</tex>. В соответствующей матрице в первом столбце единица будет стоять на первом месте, во втором столбе
на третьем месте, в третьем на втором. Итого: <tex>P = \begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 \\
\end{pmatrix}</tex>. Также эта матрица является элементарной матрицей перестановок, так как получена из единичной, перестановкой второго и третьего столбцов.

===Применение===

Благодаря своим свойствам, матрицам перестановок нашлось применение в линейной алгебре. Они используются в элементарных преобразованиях матриц, то есть домножение слева или справа на матрицу перестановок, есть перестановка любых строк или столбов соответственно.

== Свойства ==

{{Утверждение
|statement=Для любых двух перестановок <tex>\sigma, \pi</tex> их матрицы обладают свойством:

<center><tex>P_\sigma P_\pi = P_{\pi \circ \sigma}</tex></center>

где <tex>\circ</tex> — операция умножения перестановок.
|proof=
Рассмотрим <tex>{P_\sigma P_\pi}_{i,j} = \sum\limits_{x = 1}^{n}{{P_\sigma}_{i,x} {P_\pi}_{x,j}}</tex>. Эта сумма может быть равна нулю или единице, причем единице в том случае, если в <tex>i</tex>-той строчке на <tex>k</tex>-том столбце матрицы <tex>P_\sigma</tex> и в <tex>k</tex>-той строчке на <tex>j</tex>-том столбце матрицы <tex>P_\pi</tex> стоят единицы. <tex>{P_\sigma}_{i,k} = 1</tex> значит, что в перестановке <tex>\sigma</tex> на <tex>i</tex>-том месте стоит элемент <tex>k</tex>, и <tex>{P_\pi}_{k,j} = 1</tex> означает что в перестановке <tex>\pi</tex> на <tex>k</tex>-том месте стоит элемент <tex>j</tex>, а <tex>{P_\sigma P_\pi}_{i,j} = 1</tex> означает что в перестановке, которой соответствует эта матрица, так же на <tex>i</tex>-том месте стоит элемент <tex>j</tex>. Но также известно, что <tex> (\pi \circ \sigma)(i) = \pi(\sigma(i)) = j </tex>. В результате если <tex>{P_\sigma P_\pi}_{i,j} = 1</tex>, то <tex>{P_{\pi \circ \sigma}}_{i,j} = 1</tex>. Аналогичные рассуждения можно провести когда <tex>{P_\sigma P_\pi}_{i,j} = 0</tex>, и также получим, что <tex>{P_{\pi \circ \sigma}}_{i,j} = 0</tex>. Поэтому для любых <tex>i,j</tex> справедливо <tex>{P_\sigma P_\pi}_{i,j} = {P_{\pi \circ \sigma}}_{i,j}</tex>, а раз такое равентсво выполняется, то <tex>P_\sigma P_\pi = P_{\pi \circ \sigma}</tex>.
}}

{{Утверждение|statement=Для любой матрицы перестановок <tex>P</tex> справедливо:
<center><tex>P^T P = P P^T = E</tex></center> где <tex>E</tex> — единичная матрица.
|proof=
Рассмотрим <tex>{(P P^T)}_{ij} = \sum\limits_{k = 1}^{n}{(P)}_{ik} {(P^T)}_{kj} = \sum\limits_{k=1}^{n} {(P)}_{ik} {(P)}_{jk} = {\delta}_{ij} = {E} </tex>

Теперь в обратную сторону <tex>{(P^T P)}_{ij} = \sum\limits_{k = 1}^{n}{(P^T)}_{ik} {(P)}_{kj} = \sum\limits_{k=1}^{n} {(P)}_{ki} {(P)}_{kj} = {\delta}_{ij} = {E} </tex>
где <tex> {\delta}_{ij} </tex> — символ Кронекера.

Отсюда следует, что <tex> P^T=P^{-1} </tex>, так как по определению обратной матрицы <tex> PP^{-1}=P^{-1}P = E </tex>. }}

{{Утверждение|statement=
При умножение слева матрицы перестановок <tex> {P}_{ij} </tex> на матрицу <tex>A</tex> происходит перестановка <tex> {i} </tex>-й и <tex> {j} </tex>-й строк матрицы <tex>A</tex>.
Умножение справа матрицы перестановок <tex> {P}_{ij} </tex> на матрицу <tex>A</tex> приводит к перестановке <tex> {i} </tex>-го и <tex> {j} </tex>-го столбцов матрицы <tex>A</tex>.
|proof=
Рассмотрим сначала умножение слева, т.е. матрицу <tex> {P}_{ij}{A} </tex>, которую обозначим <tex> {B} = {b}_{kl} </tex>. Посчитаем чему равны элементы этой матрицы:

<tex> {b}_{kl} = {(\ 0\ \ldots\ 0\ 1\ 0\ \ldots\ 0\ )}
\begin {pmatrix}
{a}_{1l}\\
{a}_{2l}\\
\vdots\\
{a}_{ml}
\end {pmatrix} =
\begin {cases}
{a}_{kl}, & k \ne i,j,\\
{a}_{jl}, & k = i,\\
{a}_{il}, & k = j.
\end {cases} </tex>

Действительно, по определению матрицы перестановок единица в строке стоит на <tex> {k} </tex>-м месте, если , <tex> {k \ne i,j} </tex>, на <tex> {j} </tex>-м месте, если <tex> {k = i} </tex>, и на <tex> {i} </tex>-м месте, если <tex> {k = j} </tex>. Итак, если <tex> {k \ne i,j} </tex>, то <tex> {k} </tex>-я строка матрицы <tex>B</tex> просто совпадает с <tex> {k} </tex>-й строкой
матрицы <tex>A</tex>. Далее, <tex> {i} </tex>-я строка матрицы <tex>B</tex> совпадает с <tex> {j} </tex>-й строкой матрицы <tex>A</tex>, и
наоборот. Поэтому <tex>B</tex> получается из <tex>A</tex> перестановкой <tex> {i} </tex>-й и <tex> {j} </tex>-й строк.

Теперь рассмотрим умножение справа. Пусть <tex> {B} = {A}{P}_{ij} </tex>.

<tex> {b}_{kl} = {(\ {a}_{k1}\ {a}_{k2}\ \ldots\ {a}_{kn}\ )}
\begin {pmatrix}
0\\
\vdots\\
0\\
1\\
0\\
\vdots\\
0
\end {pmatrix} =
\begin {cases}
{a}_{kl}, & l \ne i,j,\\
{a}_{kj}, & l = i,\\
{a}_{ki}, & l = j.
\end {cases} </tex>

По определению матрицы перестановок единица в столбце стоит на <tex> {l} </tex>-м месте, если <tex> {l \ne i,j} </tex>, на <tex> {j} </tex>-м месте,
если <tex> {l = i} </tex>, и на <tex> {i} </tex>-м месте, если <tex> {l = j} </tex>.
Итак, если <tex> {l \ne i,j} </tex>, то <tex> {l} </tex>-й столбец матрицы <tex>B</tex> просто совпадает с <tex> {l} </tex>-м столбцом
матрицы <tex>A</tex>. Далее, <tex> {i} </tex>-й столбец матрицы <tex>B</tex> совпадает с <tex> {j} </tex>-м столбцом матрицы <tex>A</tex>, и
наоборот. Поэтому <tex>B</tex> получается из <tex>A</tex> перестановкой <tex> {i} </tex>-го и <tex> {j} </tex>-го столбцов.
}}

'''Пример'''

Пусть задана матрица перестановки <tex>P = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ \end{pmatrix}</tex>, которая соответствует перестановке <tex>\pi = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 2 \end{pmatrix}</tex>, и матрица <tex>A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \\ \end{pmatrix}</tex>,

тогда перемножив получим:

* <tex>PA = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 7 & 8 & 9 \\ 4 & 5 & 6 \\ \end{pmatrix}</tex>, видно, что вторая и третья строки поменялись местами.

* <tex>AP = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \\ \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 2 \\ 4 & 6 & 5 \\ 7 & 9 & 8 \\ \end{pmatrix}</tex>, видно, что второй и третий столбец поменялись местами.

{{Утверждение|statement=Квадрат элементарной матрицы перестановок есть единичная матрица.
|proof=
Любая элементарная матрица перестановок является симметричной матрицей, следовательно <tex> \forall{i,j} : {a}_{ij} = {a}_{ji} </tex>. Отсюда следует, что
<tex> {P} = {P^T} </tex>, а <tex> {P P^T} = {E} </tex>.
}}

{{Утверждение|statement=Матрица перестановок <tex>n</tex>-го порядка может быть представлена в виде произведения <tex>(n - 1)</tex> элементарных матриц перестановок <tex>{(n > 2)}</tex>.
|proof=
Обозначим <tex>{t}_{ij}</tex> — элементарную матрицу, полученную из единичной путем изменения <tex>i</tex>-й и <tex>j</tex>-й строк. Рассмотрим матрицу перестановок
<tex> P = \begin {pmatrix}
{a}_{11} & {a}_{12} & \ldots & {a}_{1n}\\
{a}_{21} & {a}_{22} & \ldots & {a}_{2n}\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\
{a}_{n1} & {a}_{n2} & \ldots & {a}_{nn}
\end {pmatrix}</tex>

Возьмем <tex> {{a}_{ij} \ne 0} </tex> и перестановками строк (домножением соответствующей элементарной матрицей слева) или столбцов (домножением соответствующей элементарной матрицей справа) перемещаем его на первое место. Так как в каждой строке или столбце только одна единица, то получим: <tex> \begin {pmatrix}
1 & 0 & \ldots & 0\\
0 & {a}_{22}' & \ldots & {a}_{2n}'\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\
0 & {a}_{n2}' & \ldots & {a}_{nn}'
\end {pmatrix}</tex> и так далее, пока не получится единичной матрицы.

В итоге: <tex> t_1 \ldots t_kAt_{k+1} \ldots t_{k+l} = E </tex>.

Все элементарные матрицы обратимы и обратная к элементарной матрице — это тоже элементарная матрица, следовательно: <tex> A = t_k^{-1} \ldots t_1^{-1}Et_{k+l}^{-1} \ldots t_{k+1}^{-1} = t_k^{-1} \ldots t_1^{-1}t_{k+l}^{-1} \ldots t_{k+1}^{-1} </tex>.

Заметим, что с каждым шагом мы домножаем на одну элементарную матрицу перестановок, следовательно всего будет <tex> (n - 1) </tex> таких матриц.
}}

== См. также==
* [[Умножение перестановок, обратная перестановка, группа перестановок]]

== Источники информации ==
*[http://ru.wikipedia.org/wiki/Матрица_перестановки Википедия — Матрица перестановки]
*[http://portal.tpu.ru/SHARED/k/KONVAL/Sites/Russian_sites/1/23.htm Матрица перестановки]
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Permutation_matrix Wikipedia — Permutation matrix]
* Brualdi, Richard A. (2006). Combinatorial matrix classes. Encyclopedia of Mathematics and Its Applications. Cambridge: Cambridge University Press. стр. 2, 19.

[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Комбинаторика]]
[[Категория: Свойства комбинаторных объектов]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Матричное представление перестановок