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Producto de un Número Finito de Matrices Relacionadas con las Raíces de la Unidad

¿Alguien tiene una idea de cómo demostrar la siguiente identidad?

$$ \mathop{\mathrm{Tr}}\left(\prod_{j=0}^{n-1}\begin{pmatrix} x^{-2j} & -x^{2j+1} \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\right)= \begin{cases} 2 & \text{if } n=0\pmod{6}\\ 1 & \text{if } n=1,5\pmod{6}\\ -1 & \text{if } n=2,4\pmod{6}\\ 4 & \text{if } n=3\pmod{6} \end{casos}, $$ donde $x=e^{\frac{\pi i}{n}}$ y el producto de los medios de la muestra usual de la multiplicación de la matriz.

He tratado de inducción, pero hay también muchos de los términos en todos los de cuatro entradas como $n$ crece. Creo que tal vez el uso de funciones de generación es el camino?

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uranix Puntos 3824

No es una respuesta completa, pero un comienzo prometedor. Acaba de reformular el problema utilizando las recurrencias.

Vamos $$ A_k = \begin{pmatrix} x^{-2k} & -x^{2k+1}\\1 & 0 \end{pmatrix}\\ B = A_0 A_1 \cdots A_{n-1}. $$ Me voy a encontrar los autovalores de a $B$, lo $\operatorname{tr} B = \lambda_1 + \lambda_2$.

Considere la posibilidad de una secuencia $u_0, u_1, \dots$ y una secuencia relacionada $$ F_k = \begin{pmatrix}u_k \\ u_{k+1}\end{pmatrix}. $$ Tenga en cuenta que $$ F_k = A_k F_{k+1} $$ es equivalente a $$ u_k = x^{-2k} u_{k+1} - x^{2k+1} u_{k+2}\\ u_{k+1} = u_{k+1}. $$ Si $F_n$ es un autovector de a $B$ $$ \lambda F_n = B F_n = A_0 A_1 \cdots A_{n-1} F_n = \\ = A_0 A_1 \cdots A_{n-2} F_{n-1} = \cdots = A_0 F_1 = F_0 $$ o $$ \lambda u_n = u_0\\ \lambda u_{n+1} = u_1. $$ La eliminación de $\lambda$ uno adquiere la condición necesaria $$ \frac{u_n}{u_{n+1}} = \frac{u_0}{u_1}. $$ Deje $\beta_k = \frac{u_k}{u_{k+1}}$. A continuación, la condición se convierte en $$ \beta_n = \beta_0 $$ si $F_n$ es el autovector. Ya tenemos la ecuación de recurrencia para $u_k$, vamos a calcular para $\beta_k$ (dividiendo por $u_{k+1}$): $$ u_k = x^{-2k} u_{k+1} - x^{2k+1} u_{k+2}\\ \beta_k = x^{-2k} - \frac{x^{2k+1}}{\beta_{k+1}}. $$ La introducción de nuevos $\gamma_k = (-x)^{-k}\beta_k,\; \omega \equiv -x^{-3} = x^{n-3}$, $$ \gamma_k = \omega^k + \frac{1}{\gamma_{k+1}} \tag1. $$ Si $\beta_0 = \beta_n$ $$ \gamma_0 = \beta_0 = \beta_n = (-1)^n x^n \gamma_n = (-1)^{n+1} \gamma_n\\ \gamma_0 = \gamma_{2n}. $$ La condición de $\gamma_0 = \gamma_{2n}$ junto con la recurrencia de la relación $(1)$ da una ecuación cuadrática para los dos posibles valores de $\gamma_0, \gamma_0'$, cada una correspondiente a un autovalor $\lambda, \lambda'$ de la matriz $B$. Los autovalores $\lambda, \lambda'$ están relacionadas con $\gamma_k, \gamma_k'$ siguiente $$ \lambda = \frac{u_0}{u_n} = \prod_{k=0}^{n-1} \frac{u_k}{u_{k+1}} = \prod_{k=0}^{n-1} \beta_k = \prod_{k=0}^{n-1} (-x)^k \gamma_k = (-x)^{n(n-1)/2}\prod_{k=0}^{n-1} \gamma_k $$

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