Permanente (matemática) - Permanent (mathematics)

Na álgebra linear , a permanente de uma matriz quadrada é uma função da matriz semelhante ao determinante . O permanente, assim como o determinante, é um polinômio nas entradas da matriz. Ambos são casos especiais de uma função mais geral de uma matriz chamada imanante .

Definição

A permanente de um n -by- n matriz A = ( a i, j ) é definida como

A soma aqui se estende a todos os elementos σ do grupo simétrico S n ; ou seja, sobre todas as permutações dos números 1, 2, ..., n .

Por exemplo,

e

A definição da permanente de A difere daquela do determinante de A porque as assinaturas das permutações não são levadas em consideração.

A permanente de uma matriz A é denotada por A , perm A ou Por A , às vezes com parênteses ao redor do argumento. Minc usa Per ( A ) para as matrizes retangulares permanentes e por ( A ) quando A é uma matriz quadrada. Muir e Metzler usam a notação .

A palavra, permanente , originou-se com Cauchy em 1812 como “fonctions symétriques permanentes” para um tipo relacionado de função, e foi usada por Muir e Metzler no sentido moderno, mais específico.

Propriedades

Se alguém vê a permanente como um mapa que leva n vetores como argumentos, então é um mapa multilinear e é simétrico (o que significa que qualquer ordem dos vetores resulta na mesma permanente). Além disso, dada uma matriz quadrada de ordem n :

  • Perm ( A ) é invariante sob permutações arbitrárias das filas e / ou colunas de Uma . Esta propriedade pode ser escrita simbolicamente como perm ( A ) = perm ( PAQ ) para quaisquer matrizes de permutação P e Q de tamanho apropriado ,
  • multiplicando qualquer uma única linha ou coluna de um por um escalares s mudanças perm ( A ) para s ⋅perm ( A ),
  • Perm ( A ) é invariante sob transposição , isto é, permanente ( A ) = perm ( A T ).
  • Se e forem matrizes quadradas de ordem n , então,
onde s e t são subconjuntos do mesmo tamanho de {1,2, ..., n } e são seus respectivos complementos nesse conjunto.
  • Se for uma matriz triangular , ou seja , sempre ou, alternativamente, sempre , então sua permanente (e determinante também) é igual ao produto das entradas diagonais:

Relação com determinantes

A expansão de Laplace por menores para calcular o determinante ao longo de uma linha, coluna ou diagonal se estende ao permanente, ignorando todos os sinais. Por exemplo, expandindo ao longo da primeira coluna,

enquanto expande ao longo da última linha dá,

Por outro lado, a propriedade multiplicativa básica dos determinantes não é válida para permanentes. Um exemplo simples mostra que é assim.

Ao contrário do determinante, o permanente não tem uma interpretação geométrica fácil; é usado principalmente em combinatória , no tratamento das funções de Green do bóson na teoria quântica de campos e na determinação de probabilidades de estado de sistemas de amostragem de bósons . No entanto, ele tem duas interpretações teóricas dos gráficos : como a soma dos pesos das coberturas dos ciclos de um grafo direcionado e como a soma dos pesos das correspondências perfeitas em um grafo bipartido .

Formulários

Tensores simétricos

A permanente surge naturalmente no estudo da potência tensorial simétrica dos espaços de Hilbert . Em particular, para um espaço de Hilbert , vamos denotar a potência tensorial simétrica de , que é o espaço de tensores simétricos . Observe em particular que é medido pelos produtos simétricos dos elementos em . Pois , definimos o produto simétrico desses elementos por

Se considerarmos (como um subespaço de , a k- ésima potência tensorial de ) e definirmos o produto interno de acordo, descobrimos que para

Aplicando a desigualdade de Cauchy-Schwarz , descobrimos que , e que

Capas de ciclo

Qualquer matriz quadrada pode ser vista como a matriz de adjacência de um grafo direcionado ponderado no conjunto de vértices , representando o peso do arco do vértice i ao vértice j . Uma cobertura de ciclo de um grafo direcionado ponderado é uma coleção de ciclos direcionados por vértices separados no dígrafo que cobre todos os vértices no gráfico. Assim, cada vértice i na d�rafo tem um "sucessor" exclusivo na tampa ciclo, e assim representa uma permutação em V . Por outro lado, qualquer permutação em V corresponde a uma cobertura de ciclo com arcos de cada vértice i ao vértice .

Se o peso de uma cobertura de ciclo for definido como o produto dos pesos dos arcos em cada ciclo, então

implicando que

Assim, a permanente de A é igual à soma dos pesos de todas as coberturas de ciclo do dígrafo.

Combinações perfeitas

Uma matriz quadrada também pode ser vista como a matriz de adjacência de um grafo bipartido que possui vértices de um lado e do outro lado, representando o peso da aresta de vértice a vértice . Se o peso de uma combinação perfeita que corresponde a for definido como o produto dos pesos das arestas na combinação, então

Assim, a permanente de A é igual à soma dos pesos de todas as correspondências perfeitas do gráfico.

Permanentes de (0, 1) matrizes

Enumeração

As respostas a muitas perguntas de contagem podem ser computadas como permanentes de matrizes que têm apenas 0 e 1 como entradas.

Seja Ω ( n , k ) a classe de todas as (0, 1) -matrizes de ordem n com cada soma de linha e coluna igual a k . Cada matriz A nesta classe tem perm ( A )> 0. As matrizes de incidência dos planos projetivos estão na classe Ω ( n 2 + n + 1, n + 1) para n um inteiro> 1. As permanentes correspondentes ao menor planos projetivos foram calculados. Para n = 2, 3 e 4, os valores são 24, 3852 e 18.534.400, respectivamente. Seja Z a matriz de incidência do plano projetivo com n = 2, o plano de Fano . Notavelmente, perm ( Z ) = 24 = | det ( Z ) |, o valor absoluto do determinante de Z . Esta é uma consequência de Z ser uma matriz circulante e o teorema:

Se A é uma matriz circulante na classe Ω ( n , k ) então se k  > 3, perm ( A )> | det ( A ) | e se k  = 3, perm ( A ) = | det ( A ) |. Além disso, quando k  = 3, ao permutar linhas e colunas, A pode ser colocado na forma de uma soma direta de e cópias da matriz Z e, conseqüentemente, n  = 7 e e perm ( A ) = 24 e .

As permanentes também podem ser usadas para calcular o número de permutações com posições restritas (proibidas). Para o conjunto n padrão {1, 2, ..., n }, seja a matriz (0, 1) onde a ij = 1 se i  →  j é permitido em uma permutação e a ij = 0 caso contrário. Então, perm ( A ) é igual ao número de permutações do conjunto n que satisfazem todas as restrições. Dois casos especiais bem conhecidos disso são a solução do problema de desarranjo e o problema de ménage : o número de permutações de um n -conjunto sem pontos fixos (desarranjos) é dado por

onde J é o n × n matriz de todos os 1 e I é a matriz identidade, e os números de ménage são dados por

onde I ' é a matriz (0, 1) com entradas diferentes de zero nas posições ( i , i + 1) e ( n , 1).

Limites

A desigualdade de Bregman-Minc , conjecturada por H. Minc em 1963 e provada por LM Brégman em 1973, fornece um limite superior para a permanente de uma matriz n × n (0, 1). Se A tem r i uns na linha i para cada 1 ≤ in , a desigualdade afirma que

Conjectura de Van der Waerden

Em 1926, Van der Waerden conjecturou que o mínimo permanente entre todas as matrizes n × n duplamente estocásticas é n ! / N n , obtido pela matriz para a qual todas as entradas são iguais a 1 / n . Provas dessa conjectura foram publicadas em 1980 por B. Gyires e em 1981 por GP Egorychev e DI Falikman; A prova de Egorychev é uma aplicação da desigualdade Alexandrov-Fenchel . Por este trabalho, Egorychev e Falikman ganharam o Prêmio Fulkerson em 1982.

Computação

A abordagem ingênua, usando a definição, de permanentes de computação é computacionalmente inviável mesmo para matrizes relativamente pequenas. Um dos algoritmos mais rápidos conhecidos é devido a HJ Ryser . O método de Ryser é baseado em uma fórmula de inclusão-exclusão que pode ser dada da seguinte forma: Sejam obtidos de A pela exclusão de k colunas, sejam o produto da soma das linhas de , e sejam a soma dos valores de todos os possíveis . Então

Ele pode ser reescrito em termos das entradas da matriz da seguinte forma:

Acredita-se que o permanente seja mais difícil de calcular do que o determinante. Enquanto o determinante pode ser calculado em tempo polinomial por eliminação gaussiana, a eliminação gaussiana não pode ser usada para calcular a permanente. Além disso, o cálculo da permanente de uma (0,1) -matriz é # P-completo . Assim, se a permanente pode ser calculada em tempo polinomial por qualquer método, então FP  =  #P , que é uma afirmação ainda mais forte do que P = NP . Quando as entradas de A são não negativas, entretanto, a permanente pode ser calculada aproximadamente em tempo polinomial probabilístico , até um erro de , onde é o valor da permanente e é arbitrário. A permanente de um certo conjunto de matrizes semidefinidas positivas também pode ser aproximada em tempo polinomial probabilístico: o melhor erro alcançável desta aproximação é ( é novamente o valor da permanente).

Teorema Mestre de MacMahon

Outra forma de visualizar permanentes é por meio de funções de geração multivariadas . Let Ser uma matriz quadrada de ordem n . Considere a função de geração multivariada:

O coeficiente de in é perm ( A ).

Como uma generalização, para qualquer sequência de n inteiros não negativos, defina:

como o coeficiente de em

O Teorema Mestre de MacMahon relacionando permanentes e determinantes é:

onde I é a matriz identidade de ordem n e X é a matriz diagonal com diagonal

Permanentes de matrizes retangulares

A função permanente pode ser generalizada para ser aplicada a matrizes não quadradas. De fato, vários autores fazem desta a definição de um permanente e consideram a restrição ao quadrado de matrizes um caso especial. Especificamente, para uma matriz m  ×  n com m  ≤  n , defina

onde P ( n , m ) é o conjunto de todas as m -permutações do n-conjunto {1,2, ..., n}.

O resultado computacional de Ryser para permanentes também é generalizado. Se A é uma matriz m  ×  n com m  ≤  n , seja obtido de A excluindo k colunas, seja o produto das somas das linhas de e seja a soma dos valores de todos os possíveis . Então

Sistemas de representantes distintos

A generalização da definição de matrizes permanentes para matrizes não quadradas permite que o conceito seja utilizado de forma mais natural em algumas aplicações. Por exemplo:

Sejam S 1 , S 2 , ..., S m subconjuntos (não necessariamente distintos) de um n -conjunto com m  ≤  n . A matriz de incidência desta colecção de subconjuntos é um m  ×  N (0,1) -matrix Uma . O número de sistemas de representantes distintos (SDRs) desta coleção é perm ( A ).

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos