パスカル行列

行列論組合せ論において、パスカル行列(パスカルぎょう、Pascal Matrix)は、二項係数を要素とする行列無限大の場合もある)である。パスカルの三角形を行列形式で表現したものと言える。パスカル行列を実現する自然な方法は3つある。下三角行列上三角行列対称行列である。例えば、5×5行列は以下のようになる。

パスカルの三角形を行列形式にする方法は他にもありますが、これらは簡単に無限に拡張できません。

意味

パスカル行列の非ゼロ要素は二項係数で与えられる。

インデックスij は0 から始まり、! は階乗を表します。

プロパティ

これらの行列はS n = L n U nという良好な関係を持つ。このことから、3つの行列すべてが行列式1を持つことが容易に分かる。三角行列の行列式は対角要素の積に過ぎず、L nU n の両方において対角要素はすべて1であるからである。言い換えれば、行列S nL nU nユニモジュラ行列であり、L nU n はトレース nを持つ

S nのトレースは次のように与えられる。

最初のいくつかの項は、1、3、9、29、99、351、1275、... というシーケンスで与えられます ( OEISのシーケンスA006134 )。

工事

パスカル行列は、実際には、特殊な下対角行列または上対角行列の行列指数をとることで構築できます。以下の例では7×7のパスカル行列を構築していますが、この方法は任意のn  ×  nのパスカル行列にも適用できます。以下の行列内の点は、ゼロ要素を表します。

n  ×  n行列ABに対して、単純に exp( A ) exp( B ) = exp( A  +  B ) と仮定することはできません。この等式は、 AB = BA(つまり、行列ABが可換な場合)の場合にのみ成立します。上記のような対称パスカル行列の構築では、下対角行列と上対角行列は可換ではないため、(おそらく)魅力的な行列の加算を伴う単純化を行うことはできません。

構築に使用されるサブ対角行列とスーパー対角行列の便利な特性は、両方ともべき乗であることです。つまり、十分に大きな整数乗すると、ゼロ行列に退化します。(詳細については、シフト行列を参照してください。)使用しているn  ×  n の一般化シフト行列はn乗するとゼロになるため、行列の指数を計算するときは、正確な結果を得るために無限級数の最初のn  + 1 項のみを考慮すれば済みます

変種

行列対数 PL 7を明らかに変更し、次に行列指数を適用することで、興味深い変種を得ることができます。

以下の最初の例では、対数行列の値の2乗を使用して、7×7の「ラゲール」行列(またはラゲール多項式の係数の行列)を構築します。

ラゲール行列は、実際には他のスケーリングや符号交替方式と組み合わせて用いられます。(高次数への一般化に関する文献はまだ見つかっていません)

 以下の2番目の例では、対数行列の値のvv + 1)を使用して、7×7の「Lah」行列(またはLah数の係数の行列) を構築します。

代わりにv ( v − 1)を使用すると、 右下への対角シフトが実現されます。

以下の3番目の例では、元のPL 7行列の平方を2で割ったもの、つまり、2番目の対角要素の1次二項式(二項式(k 、2))を使用して、ガウス誤差関数の微分積分のコンテキストで発生する行列を構築します

この行列を反転させると(例えば、負の対数行列を用いて)、この行列は符号が交互に変化し、ガウスの誤差関数の微分係数(さらには積分係数)を与えます。(より大きなべき乗への一般化に関する文献はまだ見つかっていません。)

元の行列を負の値に拡張することで、別の変形を取得できます

参照

参考文献

  • Call, GS; Velleman, DJ (1993年4月)、「パスカルの行列」、アメリカ数学月刊誌100 (4): 372–6doi :10.1080/00029890.1993.11990415、JSTOR  2324960
  • エデルマン、アラン;ストラング、ギルバート(2004年3月)、「パスカル行列」、アメリカ数学月刊誌111 (3): 361– 385、doi :10.1080/00029890.2004.11920065、JSTOR  4145127
  • エンドル、K. (1956)。 「超多項式システムとヘルミテッシェン多項式システムの管理システム」。数学的ツァイシュリフト65 (1): 7–15 .土井:10.1007/BF01473866。
  • G.ヘルムズパスカル行列は、数論的行列に関する事実の集積プロジェクトにおいて、
  • G. ヘルムズガウス行列
  • ワイスタイン、エリック W. ガウス関数
  • ワイスタイン、エリック W. エルフ関数
  • ワイススタイン、エリック・W.「エルミート多項式」エルミート多項式
  • OEISシーケンスA066325(ユニタリエルミート多項式Hen(x)の係数)(ガウス行列に関連)。
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