Konkurs prac uczniowskich
O prawdopodobieństwie, wyznacznikach i pokryciach cyklowych
W tym artykule będziemy się zajmowali obliczaniem wyznaczników macierzy
w dowolnym skończonym ciele
Będziemy także badali, jakie
jest prawdopodobieństwo, że taki wyznacznik dla macierzy z losowo
wpisanymi elementami z ciała
jest różny od
oraz
jakie jest prawdopodobieństwo, że w losowym grafie skierowanym jest
nieparzyście wiele pokryć cyklowych.
Jeżeli mamy daną macierz kwadratową z wpisanymi w nią elementami ciała
to ciężko na pierwszy rzut oka stwierdzić, czy jej wyznacznik jest
zerowy, czy nie. Sprawa okazuje się dużo prostsza, gdy mamy do czynienia
z macierzą w postaci schodkowej (tzn. z taką, która ma zera poniżej głównej
przekątnej). Wyznacznik takiej macierzy jest zerowy wtedy i tylko wtedy, gdy na
jej głównej przekątnej znajduje się co najmniej jedno
Aby
sprowadzić naszą macierz do postaci schodkowej, użyjemy metody eliminacji
Gaussa. Będziemy wykonywać dwa rodzaje operacji. Pierwszym będzie zamiana
dwóch wierszy miejscami, a drugim będzie dodanie do ustalonego wiersza
innego wiersza pomnożonego przez stałą. Jak wiadomo, operacja drugiego
rodzaju nie zmienia wyznacznika macierzy, operacja pierwszego rodzaju
natomiast zmienia jego znak, a więc nie zmienia tego, czy wyznacznik jest
zerowy, czy nie.
Sprowadzając macierz do postaci schodkowej, najpierw musimy zadbać o to,
aby w górnym lewym rogu naszej macierzy znalazł się jakiś niezerowy
element. Jeżeli w pierwszej kolumnie są same zera, to przerywamy nasz
algorytm, gdyż wyznacznik naszej macierzy na pewno jest równy
W przeciwnym przypadku, jeżeli w górnym lewym rogu jest już
niezerowy element, to nic nie robimy, a jeśli nie, to zamieniamy pierwszy
wiersz z którymś, w którym w pierwszej kolumnie znajduje się niezerowy
element. Następnie musimy zadbać o to, aby w tej kolumnie nie było
więcej niezerowych elementów, zatem jeżeli w górnym lewym rogu
znajduje się element
a w innym wierszu w pierwszej kolumnie
znajduje się element
to musimy do tego wiersza dodać pierwszy
wiersz pomnożony przez
Zatem zrobiliśmy już wszystko, co
mieliśmy zrobić z pierwszym wierszem i pierwszą kolumną, i dalej
ograniczamy się do reszty naszej macierzy, dla której powtarzamy to
postępowanie. Kończymy je w momencie, gdy w macierzy, która nam
pozostała, w pierwszej kolumnie są same zera (wtedy wyznacznik równa się
) lub gdy szczęśliwie dojdziemy do końca (wtedy wyznacznik jest
niezerowy).
Jak ta metoda może nam pomóc w obliczeniu prawdopodobieństwa, że
dla kwadratowej macierzy
rozmiaru
w której
każde pole jest wpisany z równym prawdopodobieństwem jakiś
element ciała
jej wyznacznik jest niezerowy? Oznaczmy liczbę
elementów ciała
przez
Zastanówmy się najpierw, jakie jest
prawdopodobieństwo tego, że będziemy mogli wykonać pierwszą fazę
algorytmu, czyli że w pierwszej kolumnie znajdzie się jakiś niezerowy
element. Abyśmy nie mogli jej wykonać, w każdym z
pól
pierwszej kolumny musi znaleźć się
a znajduje się ono w każdym
polu z prawdopodobieństwem
Zatem prawdopodobieństwo
tego, że będziemy mogli wykonać pierwszą fazę algorytmu, wynosi
Nietrudno przekonać się o tym, że nie tylko w pierwszej, ale
w dowolnej,
-tej fazie algorytmu, rozkład prawdopodobieństwa
wartości znajdujących się w polach
-tej kolumny, jest jednostajny.
Stosując analogiczną argumentację wnioskujemy, iż prawdopodobieństwo tego,
że będziemy mogli wykonać
-tą fazę, o ile będziemy mogli wykonać
pierwsze
faz, jest równe

Stąd otrzymujemy końcowy wynik, że prawdopodobieństwo wykonania
całego algorytmu, czyli prawdopodobieństwo tego, że wyznacznik macierzy
będzie różny od
jest równe

Zajmijmy się teraz następującym problemem. Rozważmy graf skierowany o
wierzchołkach, w którym dla każdej uporządkowanej pary liczb
takiej że
krawędź skierowana od wierzchołka
do wierzchołka
występuje z prawdopodobieństwem
(w szczególności, w tym grafie mogą występować pętle). Jakie
jest prawdopodobieństwo tego, że w tym grafie jest nieparzysta liczba
pokryć cyklowych?

A czym właściwie są pokrycia cyklowe? Otóż pokrycie cyklowe to taki zbiór
krawędzi grafu, że z każdego wierzchołka wychodzi dokładnie jedna
krawędź i do każdego wierzchołka wchodzi dokładnie jedna krawędź
z tego zbioru. Przedstawia się ono jako zbiór rozłącznych cykli o łącznej
długości
Każde pokrycie cyklowe możemy utożsamiać z
-elementową permutacją
w której
jest numerem
wierzchołka, do którego wchodzi krawędź wychodząca z wierzchołka
o numerze
Permutacja
reprezentuje pokrycie cyklowe, jeżeli
dla każdego
istnieje krawędź z wierzchołka
do
wierzchołka
Zapiszmy nasz graf w postaci macierzy sąsiedztwa
czyli macierzy
kwadratowej o wymiarach
w której w polu
jest
jeżeli istnieje krawędź od wierzchołka
do wierzchołka
a w przeciwnym przypadku jest tam
A jak na tę
macierz przenoszą się pokrycia cyklowe? Rozpatrzmy pewne pokrycie
cyklowe i zaznaczmy w naszej macierzy pola odpowiadające krawędziom
należącym do pokrycia. Będzie to
takich pól, że żadne dwa pola
nie znajdują się w tym samym wierszu ani w tej samej kolumnie i, w dodatku,
wszystkie te pola mają wartość
Zatem iloczyn liczb w tych
polach będzie równy
A co dzieje się z permutacjami, którym
nie odpowiadają pokrycia cyklowe? Jeżeli zaznaczymy w analogiczny
sposób w naszej macierzy pola odpowiadające potencjalnym krawędziom
z tej permutacji, to skoro nie reprezentowała ona pokrycia cyklowego,
to w co najmniej jednym zaznaczonym polu znajdzie się
W takim
razie iloczyn liczb w tych polach będzie równy
Możemy
zatem wysunąć wniosek, że liczba pokryć cyklowych w tym grafie jest
równa

gdzie
to zbiór wszystkich
-elementowych permutacji, a
to wartość pola
w macierzy sąsiedztwa. Powyższą
liczbę nazywa się też permanentem macierzy
Przypatrzmy się teraz
wzorowi permutacyjnemu na wyznacznik macierzy:

gdzie
jest liczbą inwersji w permutacji
ale dla nas
istotne będzie to, że
może przyjmować tylko wartości
i
a skoro te dwie liczby są tej samej parzystości, zatem
permanent i wyznacznik macierzy całkowitoliczbowej są tej samej parzystości.
Zauważmy jeszcze, że to, czy wyznacznik takiej macierzy sąsiedztwa jest
parzysty, to po prostu pytanie, czy wyznacznik tej macierzy jest zerowy, jeżeli
potraktujemy macierz sąsiedztwa jako macierz nad ciałem
W dodatku,
sposób, w jaki losowaliśmy krawędzie grafu, odpowiada sposobowi, w jaki
losowaliśmy elementy macierzy we wcześniejszej części artykułu.
Z połączenia tych faktów otrzymujemy wniosek, że prawdopodobieństwo
tego, że liczba pokryć cyklowych naszego grafu jest nieparzysta, jest
równe
