有关排列(置换)的一些性质及Binet-Cauchy定理的证明

提示:本文中的提到排列可以当做置换来理解。

若无特殊说明,下文中提到的排列指的是1~n的全排列

先定义一些东西:

  1. \(P_i\)为一个排列,那么定义\(RP_i\)为它的逆排列,即\(RP_{P_i}=i\)
  2. 定义\(\lambda(P_i)\)\(P_i\)的逆序对数;
  3. \(P_i,Q_i\)是两个排列,那么定义它们的复合排列为\(P_{Q_i}\),即复合排列的第i个位置上的数是\(P_{Q_i}\) 。(注意\(P_{Q_i}\)\(Q_{P_i}\)是不同的)

性质1\(\lambda(P_i)=\lambda(RP_i)\)

性质2\(\lambda(P_{Q_i})\)\(\lambda(P_i)+\lambda(Q_i)\)的奇偶性相同

以上两点感性理解吧,这里就不证了。

Binet-Cauchy定理:

\[det(C)=\sum_{S}det(A_S)*det(B_S)\]

其中\(A\)是一个m×n的矩阵,\(B\)是一个n×m的矩阵,\(C\)是一个n×n的矩阵,满足\(C=B*A\)

\(S\)是集合\(\{1,2,...,m\}\)的一个大小为n的子集,\(A_S\)表示由\(A\)保留\(S\)中的行得到的n×n的矩阵,\(B_S\)表示由\(B\)保留\(S\)中的列得到的矩阵。

我们下面就来证明这个定理:

P,Q是长度为n的排列

等式左边等于

\[\sum_{S}(\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\prod{A_{S_i,P_i}})(\sum_{Q}(-1)^{\lambda(Q)}\prod{B_{i,S_{Q_i}}})\]

简单变换得到:

\[\sum_{S}\sum_{P}\sum_{Q}(-1)^{\lambda(P)+\lambda(Q)}\prod{A_{S_i,P_i}B_{Q_i,S_i}}\]

注意B下标中\(i\)\(Q_i\)互换了位置,可以证明这样是正确的。

等式右边:

\[det(C)=\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\prod C_{i,P_i}\]

又因为\(C_{i,j}=\sum_{k=1}^m B_{ik}A_{kj}\)

所以\[det(C)=\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\prod(\sum_{k=1}^m B_{i,k}A_{k,P_i})\]

将连乘拆开,设\(R\)是一个从1~m中选n个数的可重排列,那么上式等于

\[\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\sum_{R}\prod B_{i,R_i}B_{R_i,P_i}\]

\[\sum_{R}\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\prod B_{i,R_i}A_{R_i,P_i}\]

又因为如果R中存在两个不同的i,j使得\(R_i=R_j\),那么将\(P\)\(P_i\)\(P_j\)交换得到\(P'\),在第二个求和符枚举到\(P\)\(P'\)时后面式子的值会发生抵消(因为\((-1)^{\lambda(P)}\)\((-1)^{\lambda(P')}\)互为相反数),所以我们可以把R看成一个无重排列,再将R的枚举方式变为先枚举一个大小为n的集合\(S\),再枚举这个集合的排列\(Q\),上式就变成了:

\[\sum_{S}\sum_{Q}\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\prod B_{i,S_{Q_i}}A_{S_{Q_i},P_i}\]

\[\sum_{S}\sum_{Q}\sum_{P}(-1)^{\lambda(P)}\prod B_{Q_i,S_i}A_{S_{i},P_{Q_i}}\]

将枚举\(P_i\)变为枚举\(P'=P_{Q_i}\),结合之前排列的性质,上式等于

\[\sum_{S}\sum_{Q}\sum_{P'}(-1)^{\lambda(P')+\lambda(Q)}\prod B_{Q_i,S_i}A_{S_{i},P'_{i}}\]

整理得

\[\sum_{S}\sum_{P}\sum_{Q}(-1)^{\lambda(P)+\lambda(Q)}\prod{A_{S_i,P_i}B_{Q_i,S_i}}\]

这样就和等式右边一模一样了,于是定理得证。

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转载自www.cnblogs.com/lishuyu2003/p/12093947.html
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