组合数学(3)——Hardmard矩阵

这一章,我们将介绍Hardmard矩阵作为组合矩阵的一个例子的3个方面:

  1. 什么是Hardmard矩阵?
  2. Hardmard矩阵的一些性质
  3. n阶Hardmard矩阵的存在性

1.什么是Hardmard矩阵

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这是什么意思呢,翻译过来就是如果一个矩阵同行的内积(自己的平方和)为m,而不同行的内积为0(正交),则这个矩阵就是H矩阵。

那么这种矩阵有没有更加规范的统一的标准呢?有的,这种矩阵叫做正规化矩阵。
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为什么会有定义7.2.2和命题7.2.1呢?其实我们还是知道所谓的行列变换就是左乘右乘一个矩阵,如果这个矩阵的元素只有0,+1,-1,则变换后仍然会是H矩阵。(为什么?因为就像刚才说的,自己的平方和不会因为±1而变化),下面给出证明:
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2. n阶Hardmard矩阵的存在性

是不是所有阶的H矩阵都存在呢?并不是,尤其是连3阶H矩阵都不存在,这让H矩阵的阶的范围大大缩小。
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因此,只能保守的有以下命题(注意不是定理),作为m阶H矩阵存在的必要条件,并给出证明:
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2.2 直积构造更高级的H矩阵

这里介绍一种构造更高级的H方阵的方法——直积:
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具体方法就是将B乘到A的每个元素上。

为啥这样可以呢?下面给出定理:
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在证明这个定理之前,我们要知道,H矩阵也是矩阵,因此它也满足矩阵的运算方法:
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然后我们再给出证明:
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3. Hardmard矩阵的一些性质

3.1 预备知识(有限域)

我们首先准备一些知识,可以使得下面的证明更加容易。
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特征P和X(x)的特征是不一样的,后者称为一种映射更为适合。这里还是有一个预备知识,那就是有限域的x为平方数和非平方数的数量一致。

因此有下面的引理:
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下面给出证明:
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这样,就可以推出以下的内容:
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下面介绍另一个引理,并给出证明:
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这两个引理好像没啥用,但是在接下里的定理都有直接或者间接的使用。这和我们写代码是一样的,提前造好轮子,方便后来的使用。正所谓,若要善其事,必先利其器。

3.2 q阶矩阵的q为除4余3构造H矩阵

这里介绍一个特定的q阶矩阵(这个矩阵),构造出一个q+1阶(除4余0)的H阶矩阵。
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这里会有神奇的Q矩阵,注意这里的Q矩阵是之前引理里的Q矩阵,它具备一定的性质的,因此才能得出上图的式子,下面给出证明:
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上面H这种特殊的矩阵,被称为是I型的矩阵,下面给出定义:
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3.3若h阶H矩阵存在时(h为偶数),如果q为除4余1,则存在hq阶的H矩阵

同样的,在介绍这个定理的时候,我们先介绍两个引理:
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这两个引理的证明比较简单,7.2.3就将K带入,并利用矩阵的运算法则进行运算即可;7.2.4的证明方法与定理7.2.2类似,因此我们不进行证明了。我们来看要证明的定理:
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下面给出证明:
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3.4由n阶的I型的H矩阵构造出n(n-1)阶H矩阵和n(n+3)矩阵

同样的,我们首先给出4个引理,证明我们这里省去。
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最后这一个不得不提一下,因为它也是一个构造高阶矩阵的方法,下面给出证明:
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下面我们给出定理及其证明:
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3.5 和2个n阶H矩阵相关的定理

上面都是介绍一个n阶H矩阵推出高阶矩阵的方法,下面介绍2个和两个n阶H矩阵相关的定理。
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下面给出证明:
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下面给出证明:
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4. 小结

本章主要介绍和Hardmard矩阵(哈达玛矩阵)的一些相关的定义、性质以及构造高阶哈达玛矩阵的方法。值得注意的是,我们所有的构造高阶的哈达玛矩阵的方法有两种,一种是像直积这样,使用运算直接得出,另一种则蕴含在证明之中,使用的是已知矩阵构造而出的,需要多加注意。

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