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¿Los determinantes de las matrices binarias forman un conjunto de números consecutivos?

Mientras reflexionaba sobre una solución para la problema de generar matrices aleatorias 0-1 con pequeños determinantes absolutos, una vez más me doy cuenta de lo poco que sé sobre las matrices 0-1. Mi idea inicial era elegir un determinante aleatorio, construir una matriz 0-1 para que coincidiera con este determinante y luego permutar las filas y columnas de la matriz. Pero rápidamente abandoné esta idea porque simplemente no conozco la forma de construir una matriz 0-1 con un determinado determinante.

De hecho, ni siquiera sé cuán grande puede ser el determinante de una matriz de 0-1. El Hadamard se dirige al determinante absoluto de una $n \times n$ La matriz 0-1 es $ \frac {(n+1)^{(n+1)/2}}{2^n}$ (en línea ref. 1 y ref. 2 ), y el límite es agudo si y sólo si existe una matriz de orden Hadamard $n+1$ . Sin embargo, hasta donde yo sé, no se conoce un límite superior para el determinante absoluto de un general $n \times n$ Matriz 0-1.

Aunque he abandonado la idea mencionada, los determinantes de las matrices 0-1 todavía me intrigan. Así que, aquí está mi pregunta:

Deje que ${ \cal B}^{n \times n}$ denota el conjunto de todos $n \times n$ 0-1 matrices y dejar $M= \max_ {A \in B} \det A$ . ¿Es cierto que por cada $d \in\ {0,1, \ldots ,M\}$ existe $A \in { \cal B}^{n \times n}$ de tal manera que $ \det (A)=d$ ?

Para $n \le6 $ la respuesta es positiva, pero no tengo ni idea del caso general. Editar: La respuesta no tiene por qué ser completa. Si esta pregunta ha sido reconocida como un problema abierto en la literatura, me alegro de conocer las referencias.

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Jason Weathered Puntos 5346

Para el tamaño 7 fue demostrado por Metropolis, Stein y Wells que el conjunto de valores determinantes no negativos es $[0,18]\cup\{20,24,32\}$ lo que significa que la respuesta a su pregunta en el cuadro gris es no. Consulte este documento:

N. Metropolis, , Spectra of determinant values in (0, 1) matrices. En A. O. L. Atkin y B. J. Birch, editores, Computers in Number Theory: Proceedings of the Science Research Atlas Symposium No. 2 held at Oxford, from 18-23 August, 1969, pages 271-276, London, 1971. Academic Press.

Para el tamaño general, los datos que tengo sugieren que el conjunto de valores determinantes es "denso" hasta aproximadamente la mitad del límite de Hadamard y escaso a partir de entonces, pero no tengo ningún argumento de por qué debería ser así. Y mis datos sólo llegan hasta el tamaño 22. ¿Quién sabe lo que ocurre en el tamaño 200?

Aquí hay algunas entradas de la OEIS que pueden ser útiles.

  • A003432 - determinantes máximos de la matriz binaria n por n
  • A089472 - número de valores diferentes que toma el determinante de la matriz binaria n por n
  • A013588 - El menor número entero positivo que no es el determinante de una matriz binaria n por n.

Di una charla hace un par de años, Rango y distribución de los determinantes de las matrices binarias (disponible aquí ), en el que traté este tema. Esa discusión comienza en la diapositiva 27, pero otras partes de la charla también pueden ser relevantes para su pregunta.

También he creado un página web que enumera los valores determinantes que se han construido en tamaños de matriz de hasta 16. Se ha demostrado que estas listas son completas en tamaños hasta el 10 y también en el tamaño 12, pero creo que las listas son probablemente completas en los otros tamaños también. Tenga cuidado: mi página discute $\{-1,1\}$ -matrices. Tendrás que restar 1 al tamaño de la matriz si te interesa $\{0,1\}$ -matrices.

Véase también las páginas de Mathworld y Wikipedia sobre el problema del determinante máximo de Hadamard. También son relevantes los trabajos de Tao y Vu mencionados en mis diapositivas. Hay trabajos recientes sobre límites inferiores del determinante máximo de Brent, Osborn y Smith. Puedes encontrarlos en el arXiv.

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BarryBostwick Puntos 12

Me encantan estas preguntas de las que siento que sé la respuesta pero que aún no puedo probar, porque normalmente me llevan a una gran educación si no a una prueba. Mi respuesta corta es Es cierto. En este momento sólo puedo decir que apostaría puntos de reputación si pudiéramos hacer tal cosa.

Creo que los valores son contiguos en el extremo inferior, pero no en el extremo superior. Por ejemplo, para $10 \times 10$ matrices, los determinantes más altos son $315$ y $320$ pero no he encontrado ninguno en el medio. Mi método de búsqueda (hacer cambios de fila o columna enteros a la vez con el máximo cambio de determinante) posiblemente podría haber omitido algunos, pero no lo creo.

Cuanto más grande sea el $d$ cuanto más difícil sea el problema. Para $d$ pequeño, considere su enfoque que dio a la otra pregunta donde itera $$A \leftarrow \pmatrix{A & \mathbf{b} \\ \mathbf{c} & g}$$

Como este determinante iterado $$\det(A) \leftarrow \det(A)(g - \mathbf{c}A^{-1}\mathbf{b}) $$

sabes que una vez que una matriz más pequeña $A$ se encuentra con el determinante $d$ que el tamaño se puede construir conservando el determinante, utilizando su enfoque de la otra pregunta.

Para poder encontrar para un gran $d$ mi intuición sería que los vectores (filas o columnas de $A$ ) tendrían que ser casi ortogonales, por lo que el paralelepípedo hiperdimensional tendría mayor volumen (determinante de $A$ ), ya que las magnitudes de los vectores están obviamente acotadas siendo 0-1. Sin embargo, limitar a ser ortogonal también limita las posibilidades, por lo que no sería el mejor enfoque.

El problema, según entiendo, está relacionado con los entramados de números enteros. En su iteración, tome $\mathbf{b}$ al azar. Entonces su elección para $\mathbf{c}$ y $g$ da un determinante $$\pmatrix{\mathbf{c} & g}\pmatrix{-A^{-1}\mathbf{b}\det(A) \\ \det(A)}$$

Para facilitar la notación, renómbralo como $$\pmatrix{\mathbf{c} & g}\pmatrix{\mathbf{x} \\ y}$$

donde todos los elementos son enteros. Cada paso de iteración que da el mayor valor en magnitud aquí me parece que son unos para $\mathbf{c}$ que da la mayor suma (seleccionando todos los positivos o todos los negativos de $\mathbf{x}$ ). Este enfoque podría dar estados de iteración degenerados ( por lo que al final no se da la mayor $d$ ). Creo que algunos matriz con gran determinante $d$ puede ser un hallazgo de esta manera.

Sé que esto no es ni mucho menos una respuesta completa a su pregunta. Mis enfoques son siempre más construccionistas que teóricos, así que espero que esto te dé alguna idea de un posible buen enfoque.

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