數學中的矩陣論裏,置換矩陣(英語:permutation matrix)是一種係數只由0和1組成的方塊矩陣。置換矩陣的每一行和每一列都恰好有一個1,其餘元素都是0。在線性代數中,每個n階的置換矩陣都代表了一個對n個元素(n維空間的)的置換。當一個矩陣乘上一個置換矩陣時,所得到的是原來矩陣的橫行(置換矩陣在左)或縱列(置換矩陣在右)經過置換後得到的矩陣。

嚴格定義

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每個n元置換都對應着唯一的一個置換矩陣。設π 為一個n元置換:

 

給出其映射圖:

 

它對應的n × n的置換矩陣Pπ是:在第i橫行只有π(i)位置上係數為1,其餘為0。即可以寫做:

 

其中每個 表示正則基中的第j個,也就是一個左起第j個元素為1,其餘都是0的n元橫排數組。

由於單位矩陣

 

置換矩陣也可以定義為單位矩陣的某些行和列交換後得到的矩陣。

性質

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對兩個n元置換π 和 σ的置換矩陣PπPσ,有

 

一個置換矩陣Pπ 必然是正交矩陣(即滿足 ),並且它的逆也是置換矩陣:

 

用置換矩陣 右乘一個列向量 g所得到的是 g 的係數經過置換後的向量:

 

用置換矩陣 左乘一個行向量 h 所得到的是 h 的係數經過置換後的向量:

 

置換矩陣與置換

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Snn次對稱群,由於n置換一共有n! 個,n階的置換矩陣也有n! 個。這n! 個置換矩陣構成一個關於矩陣乘法的。這個群的單位元就是單位矩陣。設A是所有n階的置換矩陣的集合。映射Sn → A ⊂ GL(n, Z2)是一個群的忠實表示

對一個置換σ,其對應的置換矩陣Pσ是將單位矩陣的橫行進行 σ 置換,或者將單位矩陣的橫行進行 σ−1 置換得到的矩陣。

置換矩陣是雙隨機矩陣的一種。伯克霍夫-馮·諾伊曼定理說明每個雙隨機矩陣都是同階的置換矩陣的凸組合,並且所有的置換矩陣構成了雙隨機矩陣集合的所有端點

置換矩陣Pσ跡數等於相應置換σ的不動點的個數。設 a1a2、……、ak 為其不動點的序號,則ea1ea2、……、eakPσ特徵向量

由群論可以知道,每個置換都可以寫成若干個對換的複合。由此可知,置換矩陣Pσ都可以寫成若干個表示兩行交換的初等矩陣的乘積。Pσ行列式就等於 σ 的符號差

例子

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對應於置換π = (1 4 2 5 3)的置換矩陣Pπ

 

給定一個向量 g

 

推廣

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置換矩陣概念的一個推廣是將方陣的情況推廣到一般矩陣的情況:

一個m×n0-1矩陣 P 是置換矩陣若且唯若  

這時一個0-1矩陣是置換矩陣若且唯若它的每一行恰有一個1,每一列至多有一個1。

置換矩陣概念的另一個推廣是將每行的1變為一個非零的實數:

一個n階的方塊矩陣 P 是置換矩陣若且唯若其每一行與每一列都恰好只有一個係數不為零。

這時的置換矩陣P可以看做由0和1組成的置換矩陣Q與一個對角矩陣相乘的結果。

參見

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參考資料

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  • 張賢達. 矩阵分析与应用. 清華大學出版社. 2004 (中文(中國大陸)). 

外部連結

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