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Complejidad computacional de calcular el determinante

La fórmula para el determinante de una matriz de $n$ por $n$ dada por la expansión de menores involucra $n!$ términos. Como tal, calcular el determinante de una matriz dada con entradas enteras a través de la expansión de menores toma un número de pasos que está limitado por debajo por $n!$. (En la práctica, el número de pasos requeridos depende del tamaño de las entradas de la matriz).

Sin embargo, el determinante de dicha matriz también se puede calcular mediante la Eliminación Gaussiana; conocemos cómo afecta cada operación elemental de fila al determinante de una matriz y si llevamos un registro de los pasos de reducción de fila que realizamos en el proceso de la eliminación Gaussiana, podemos reconstruir casi de inmediato el determinante de la matriz original a partir de estos datos. El número de pasos que toma reducir por fila una matriz con entradas enteras es $O(n^3)$ y por lo tanto este método de calcular el determinante de una matriz toma $O(n^3)$ pasos.

Contraponiendo los dos métodos anteriores, se observa que el problema computacional bajo discusión parece ser muy consumidor de tiempo desde una perspectiva pero es mucho más rápido desde otra perspectiva. En este sentido, el problema es análogo al de calcular una suma parcial de una serie telescópica. Y sin embargo, no está del todo claro para mí cómo ver la "cancelación implícita" de la fórmula que proviene de la expansión por menores. De hecho, la fórmula tiene una similitud superficial con la de la fórmula para el permanente de una matriz, cuyo cálculo es #P-completo. El hecho de que la mitad de los términos del determinante tengan signos negativos delante hace que la fórmula del determinante se parezca más a una suma telescópica que a la fórmula del permanente, pero no mucho.

¿Existe una forma de ver el hecho de que el determinante de una matriz está acotado por un polinomio en la dimensión de la matriz y el tamaño de las entradas directamente desde la fórmula dada por la expansión por menores?

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Matt Dawdy Puntos 5479

La propiedad más importante del determinante es que es multiplicativa, lo que hace que funcione la reducción por filas. (Nota que el permanente no lo es). Esto no es una consecuencia trivial de la expansión por permutaciones del determinante; trabajando a partir de la expansión por permutaciones se puede deducir la multiplicatividad combinatoriamente pero es, en mi opinión, más trabajo del necesario.

Realmente esta multiplicatividad se trata de functorialidad: el determinante es simplemente la acción del funtor de potencia exterior $\Lambda^n(-)$ en endomorfismos $T: V \to V$ de espacios vectoriales de $n$ dimensiones. De nuevo, el permanente no surge de esta manera. Hay una estructura adicional aquí y no se puede deducir trivialmente a partir de la expansión por permutaciones sino que requiere un pensamiento real sobre de dónde viene el determinante y por qué a las personas les importa en primer lugar.

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GmonC Puntos 114

De hecho, el cálculo del determinante de una matriz no está limitado por un polinomio en la dimensión de la matriz y el tamaño de las entradas. Intenta calcular el determinante de una matriz de $n\times n$ con $n^2$ indeterminados distintos como entradas (en un anillo polinomial o campo de funciones racionales en esa cantidad de indeterminados); el resultado tiene $n!$ términos. La eliminación gaussiana solo funciona sobre un campo, pero como muestra el ejemplo, no es razonable asumir aritmética de tiempo constante sin más información. De hecho, la estimación de $O(n^3)$ solo es realista en campos finitos.

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