組合數學(3)——Hardmard矩陣

這一章,我們將介紹Hardmard矩陣作爲組合矩陣的一個例子的3個方面:

  1. 什麼是Hardmard矩陣?
  2. Hardmard矩陣的一些性質
  3. n階Hardmard矩陣的存在性

1.什麼是Hardmard矩陣

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這是什麼意思呢,翻譯過來就是如果一個矩陣同行的內積(自己的平方和)爲m,而不同行的內積爲0(正交),則這個矩陣就是H矩陣。

那麼這種矩陣有沒有更加規範的統一的標準呢?有的,這種矩陣叫做正規化矩陣。
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爲什麼會有定義7.2.2和命題7.2.1呢?其實我們還是知道所謂的行列變換就是左乘右乘一個矩陣,如果這個矩陣的元素只有0,+1,-1,則變換後仍然會是H矩陣。(爲什麼?因爲就像剛纔說的,自己的平方和不會因爲±1而變化),下面給出證明:
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2. n階Hardmard矩陣的存在性

是不是所有階的H矩陣都存在呢?並不是,尤其是連3階H矩陣都不存在,這讓H矩陣的階的範圍大大縮小。
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因此,只能保守的有以下命題(注意不是定理),作爲m階H矩陣存在的必要條件,並給出證明:
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2.2 直積構造更高級的H矩陣

這裏介紹一種構造更高級的H方陣的方法——直積:
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具體方法就是將B乘到A的每個元素上。

爲啥這樣可以呢?下面給出定理:
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在證明這個定理之前,我們要知道,H矩陣也是矩陣,因此它也滿足矩陣的運算方法:
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然後我們再給出證明:
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3. Hardmard矩陣的一些性質

3.1 預備知識(有限域)

我們首先準備一些知識,可以使得下面的證明更加容易。
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特徵P和X(x)的特徵是不一樣的,後者稱爲一種映射更爲適合。這裏還是有一個預備知識,那就是有限域的x爲平方數和非平方數的數量一致。

因此有下面的引理:
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下面給出證明:
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這樣,就可以推出以下的內容:
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下面介紹另一個引理,並給出證明:
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這兩個引理好像沒啥用,但是在接下里的定理都有直接或者間接的使用。這和我們寫代碼是一樣的,提前造好輪子,方便後來的使用。正所謂,若要善其事,必先利其器。

3.2 q階矩陣的q爲除4餘3構造H矩陣

這裏介紹一個特定的q階矩陣(這個矩陣),構造出一個q+1階(除4餘0)的H階矩陣。
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這裏會有神奇的Q矩陣,注意這裏的Q矩陣是之前引理裏的Q矩陣,它具備一定的性質的,因此才能得出上圖的式子,下面給出證明:
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上面H這種特殊的矩陣,被稱爲是I型的矩陣,下面給出定義:
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3.3若h階H矩陣存在時(h爲偶數),如果q爲除4餘1,則存在hq階的H矩陣

同樣的,在介紹這個定理的時候,我們先介紹兩個引理:
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這兩個引理的證明比較簡單,7.2.3就將K帶入,並利用矩陣的運算法則進行運算即可;7.2.4的證明方法與定理7.2.2類似,因此我們不進行證明了。我們來看要證明的定理:
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下面給出證明:
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3.4由n階的I型的H矩陣構造出n(n-1)階H矩陣和n(n+3)矩陣

同樣的,我們首先給出4個引理,證明我們這裏省去。
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最後這一個不得不提一下,因爲它也是一個構造高階矩陣的方法,下面給出證明:
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下面我們給出定理及其證明:
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3.5 和2個n階H矩陣相關的定理

上面都是介紹一個n階H矩陣推出高階矩陣的方法,下面介紹2個和兩個n階H矩陣相關的定理。
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下面給出證明:
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下面給出證明:
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4. 小結

本章主要介紹和Hardmard矩陣(哈達瑪矩陣)的一些相關的定義、性質以及構造高階哈達瑪矩陣的方法。值得注意的是,我們所有的構造高階的哈達瑪矩陣的方法有兩種,一種是像直積這樣,使用運算直接得出,另一種則蘊含在證明之中,使用的是已知矩陣構造而出的,需要多加註意。

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