2. Загальні властивості матриць показників і їх сагайдаків
Означення 2.1. Матриця =(ij)Mn() (Mn() – це кільце матриць розмірності n з цілими елементами ), для якої виконуються наступні умови:
1)
ij
+
jk
iк
для
всіх
i,
j, k =1,
… ,
n,
2) ii =0 для всіх i=1, … , n,
називається матрицею показників. Матриця показників, для якої виконується умова
3) ij + ji ≥1 для всіх i, j {1,… , n} (i j)
називається зведеною матрицею показників.
Нехай
=(ij)
– зведена
матриця показників. Введемо матрицю
(1)=(ij)=+Еn
Mn(),
де Еn
–
одинична матриця. Введемо матрицю
(2)=(ij)Mn():
ij=
.
Означення 2.2. Сагайдаком зведеної матриці показників Q=Q() називається сагайдак, матриця суміжності якого задається формулою [Q]= (2)- (1).
Приклад.
=
,
(1)=
,
(2)=
,
[Q()]=
.
Для елементів матриці суміжності сагайдака Q маємо наступні формули:
qij=ij-ij
=
=
= =
.
qii=
=
-1=
.
Звідси отримуємо, що qij=1 при i≠j тоді і тільки тоді, коли ik + kj > ij для всіх k≠i, j. qii=1 тоді і тільки тоді, коли ik + ki >1 для всіх k≠i.
Означення 2.3. Зведені матриці показників 1 і 2 називаються еквівалентними, якщо одну можна отримати з іншої за допомогою елементарних перетворень двох типів:
Відняти ціле число t від елементів іго рядка та добавити це число до елементів іго стовпчика,
Поміняти місцями два рядки і поміняти місцями два стовпчика з такими ж номерами.
Твердження 2.4. Нехай =(ij) і =(ij) – зведені матриці показників і матриця отримується з матриці перетворенням першого типу. Тоді [Q()]=[Q()].
Теорема 2.5. Нехай =(ij) і =(ij) – зведені матриці показників і матриця отримується з матриці перетворенням другого типу, тоді
[Q()]= [Q()]P.
Зауваження 2.6. Нехай *=(ij)Mn() – зведена матриця показників з нульовим першим рядком. Тоді ij≥0 для i, j=1, …, n.
Доведення. 1i+ij≥1j. Тому ij≥0 для i, j=1, …, n.
Твердження 2.7. Множина зведених матриць показників утворює відносно додавання напівгрупу, яка не є моноїдом.
Доведення. Нехай A=(ij), B=(ij)Mn()–зведені матриці показників. Доведемо, що матриця С=(cij)=A+ B – зведена матриця показників.
1) ii=0, ii=0. Тому cii=ii+ii=0 для i=1, …, n;
2) ik+kj≥ij , ik+kj≥ij. Тоді (ik+ik)+(kj+kj) ≥(ij+ij) , тобто cik+ckj≥cij;
3) ij+ji≥1, ij+ji≥1. Тоді (ij+ij)+(ji+ji)≥2, тобто cij+cji≥2 при i≠j.
Отже, С – зведена матриця показників.
Наслідок 2.8. Якщо A=(ij) Mn(), B=(ij)Mn() – зведені матриці показників, С=(cij)=A+ B, то Q(C) – сагайдак з петлею в кожній вершині.
Доведення. (ij+ij)+(ji+ji)≥1+1=2. Тому cij+cji≥2 для i≠j i, j=1, … ,n.
Оскільки
qii=
,
то
qii=1
для i=1,
…, n.
Наслідок 2.9. Якщо =(ij)Mn() – матриця показників, то *=(kaij)Mn() – також матриця показників (k).
Теорема 2.10. Якщо – зведена матриця показників, Q=Q()–сагайдак матриці показників, то матриця [Q] є (0, 1) – матрицею суміжності сильно зв’язного сагайдака.
Доведення.
Нехай
=(ij),
(1)=
+E,
(2)
=(ij),
де ij=
.
З нерівності ij
+
jk
iк
випливає, що ij
ij.
Тому qij=ij-ij
≥0.
Оскільки
ij≤ij+ii=ij+1,
то qij=ij-ij
≤1.
Отже, qij{0,
1},
тому
[Q]
–
матриця
суміжності простого сагайдака.
Доведемо,
що сагайдак
Q
– сильно
зв’язний.
Припустимо
протилежне. Тоді можна вибрати вершини
i
та
j,
для яких не існує шляху із
i
в
j.
Нехай
множина VQ(i)=V1
– множина всіх вершин
k
сагайдака Q,
для
яких існує шлях, який починається в i
та закінчується в деякій вершині k.
Очевидно,
що V2
=VQ/VQ(i)
(j
VQ/VQ(i)).
Тому
VQ=V1
V2
та
V1
V2=.
З
побудови множин
V1
і V2
випливає
відсутність
стрілок, які,
починаються
в V1
і
закінчуються в V2.
Не
зменшуючи
загальності
можна
вважати,
що
V1={1, …, m},
V2={m+1,
…, s}
(цього можно досягти перетворенням
другого типу).
Крім
того,
за допомогою елементарного перетворення
першого типу можна зробити елементи
першого рядка
матриці
рівними
0, тобто 1p=0
для p=1,
…, s.
Отже,
pq=0
для p≤m,
q>m
і
[Q]=
,
,
де 1Mm(),2Ms-m().
З
матрицею
показників
2
ми зв’язуємо
частково впорядковану множину
={m+1,
…, s}
з відношенням
порядку i≤j
тоді і
тільки тоді, коли ij=0.
Можна вважати,
що m+1
–
мінімальний елемент. Тоді im+1>0
для
i>m+1.
q1m+1=0,
тому існує
k,
(2≤k≤
m)
для якого
1m+1=1k+km+1.
Одночасно
міняючи місцями 2-ий
і
k-ий
стовпчик
і 2-ий
і
k-ий
рядок
в ,
ми одержуємо, що 12=0
і 2m+1=0.
В матриці
[Q]
елемент
q2m+1=0.
Знову
одержуємо, що існує
k,
(3≤k≤
m),
для якого
2m+1=2k+km+1.
Знову
можна вважати, що 23=0
та 3m+1=0.
Елементи
матриці
(1)
31=31,
32=32,
33=1
не нульові.
Знову
q3m+1=0
та
3m+1=0=3k+km+1
для 4≤k≤m.
Отже, a4m+1=0.
Продовжуючи
цей процес, ми одержуємо
12=23=…=m-1m=0 і im+1=0 для i=1, …, m.
Отже,
матриця 1
–
нижньо трикутна
матриця і всі елементи під головною
діагоналлю – натуральні числа. Тому
qmm+1=
=1-0=0.
Ми одержали протиріччя. Теорема доведена.
