秩为 k 的 Toeplitz 矩阵计数

[Day60] Distribution of Bordered Persymmetric Matrices in a Finite Field,阅读笔记。该篇论文解决了秩为 k 的 Toeplitz 矩阵的计数问题。

Toeplitz 矩阵简单来说就是每条主对角线上的元素都一样的矩阵。更正式来表述,对于一个有限域 Fq\mathbb{F}_q 上的一个数组 (α1−m,…,α0,αn−1)(\alpha_{1 - m}, \ldots, \alpha_0, \alpha_{n - 1}),它定义一个这样的 m×nm \times n Toeplitz 矩阵:

M=(αj−i)m×n=(α0α1⋯αn−1α−1α0⋱⋮⋮⋱⋱⋮α1−m⋯⋯αn−m).M = (\alpha_{j - i})_{m \times n} = \begin{pmatrix} \alpha_0 & \alpha_1 & \cdots & \alpha_{n - 1} \\ \alpha_{-1} & \alpha_0 & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \alpha_{1 - m} & \cdots & \cdots & \alpha_{n - m} \end{pmatrix}.

如果单从我们关心的问题——秩为 kk 的 Toeplitz 矩阵计数——来看,将矩阵左右镜像一下也没有问题,这样我们就得到的了 Hankel 矩阵:对于数组 (α1,…,αm+n−1)(\alpha_1, \ldots, \alpha_{m + n - 1}),有 Hankel 矩阵:

M=(αi+j−1)m×n=(α1α2⋯αnα2⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮αm⋯⋯αm+n−1).M = (\alpha_{i + j - 1})_{m \times n} = \begin{pmatrix} \alpha_1 & \alpha_2 & \cdots & \alpha_n \\ \alpha_2 & \vdots & \vdots & \vdots \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ \alpha_m & \cdots & \cdots & \alpha_{m + n - 1} \end{pmatrix}.

下面我们都用 Hankel 矩阵,因为关于 α\alpha 数组的形式更对称一点。

这篇文章的主要结果之一如下:

Theorem 1. 设 fq(m,n,k)f_q(m, n, k) 是 Fq\mathbb{F}_q 上 m×nm \times n Hankel 矩阵中秩为 kk 的矩阵数量,则其表达式如下:

fq(m,n,k)={1k=0q2(k−1)(q2−1)1≤k<min⁡{m,n}q2(k−1)(q∣m−n∣+1−1)k=min⁡{m,n}0otherwise.f_q(m, n, k) = \begin{cases} 1 & k = 0 \\ q^{2 (k - 1)} (q^2 - 1) & 1 \le k < \min\{m, n\} \\ q^{2 (k - 1)} (q^{|m - n| + 1} - 1) & k = \min\{m, n\} \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}.

为证明此,我们关注一些子情况,定义这样一个量:对于一个 m×nm \times n Hankel 矩阵 MM,Φ(M)\Phi(M) 是最小的正整数 uu 满足 αu≠0\alpha_u \ne 0;若这样的 uu 不存在,定义 Φ(M)=m+n\Phi(M) = m + n。

于是我们有如下引理:

Lemma 2. 设 gq(m,n,k,u)g_q(m, n, k, u) 是 Fq\mathbb{F}_q 上 m×nm \times n Hankel 矩阵中秩为 kk 且 Φ(M)=u\Phi(M) = u 的矩阵数量,则其表达式如下:

gq(m,n,k)={(q−1)qufq(m−u,n−u,k−u)1≤u<min⁡{m,n}(q−1)qm+n−u−1min⁡{m,n}≤u<max⁡{m,n} and k=min⁡{m,n}(q−1)qm+n−u−1max⁡{m,n}≤u<m+n and k=m+n−u1u=m+n and k=00otherwise.g_q(m, n, k) = \begin{cases} (q - 1) q^u f_q(m - u, n - u, k - u) & 1 \le u < \min\{m, n\} \\ (q - 1) q^{m + n - u - 1} & \min\{m, n\} \le u < \max\{m, n\}\text{ and }k = \min\{m, n\} \\ (q - 1) q^{m + n - u - 1} & \max\{m, n\} \le u < m + n\text{ and }k = m + n - u \\ 1 & u = m + n\text{ and }k = 0 \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}.

可以发现,除了第一条 1≤u<min⁡{m,n}1 \le u < \min\{m, n\},剩下几条都是简单的。这里以第二条 min⁡{m,n}≤u<max⁡{m,n}\min\{m, n\} \le u < \max\{m, n\} 为例。不妨设 m≥nm \ge n,则这时候相当于 αu≠0\alpha_u \ne 0 占满了所有列,所以 MM 肯定是满秩的。而在 αu\alpha_u 之下的元素怎么选都不影响,所以 αu\alpha_u 有 q−1q - 1 中选择,剩下的均有 qq,乘起来是 (q−1)qm+n−u−1(q - 1) q^{m + n - u - 1}。

我们接下来都只考虑 1≤u<min⁡{m,n}1 \le u < \min\{m, n\} 的情况,下面我们进行一些矩阵操作,使得我们可以列出 fq,gqf_q, g_q 的递推式。

Lemma 3. 设 m×nm \times n 的 Hankel 矩阵 MM 满足 u=Φ(M)<min⁡{m,n}u = \Phi(M) < \min\{m, n\}。则先定义序列 θ1,…,θm+n−u\theta_1, \ldots, \theta_{m + n - u},满足如下条件:

{αuθ1=1αuθt+αu+1θt−1+⋯+αu+t−1θ1=0, ∀2≤t≤m+n−u.(1)\begin{cases} \alpha_u \theta_1 = 1 \\ \alpha_u \theta_t + \alpha_{u + 1} \theta_{t - 1} + \cdots + \alpha_{u + t - 1} \theta_1 = 0,\ \forall 2 \le t \le m + n - u \end{cases} \tag{1}.

那么我们就有:

LMR=(X00−Y),(2)L M R = \begin{pmatrix} X & 0 \\ 0 & -Y \end{pmatrix} \tag{2},

其中:

L=(θ1θ2θ1⋮⋱⋱θm⋯θ2θ1),R=(θ1θ2⋯θn⋱⋱⋮θ1θ2θ1),X=(θ1θ1θ2⋮⋮⋮θ1θ2⋯θu),Y=(θu+1θu+2⋯θn+1θu+2θu+3⋯θn+2⋮⋮⋮θm+n−u−1θm+1⋯θm+n−u−1θm+n−u)L = \begin{pmatrix} \theta_1 & & & \\ \theta_2 & \theta_1 & & \\ \vdots & \ddots & \ddots & \\ \theta_m & \cdots & \theta_2 & \theta_1 \end{pmatrix}, R = \begin{pmatrix} \theta_1 & \theta_2 & \cdots & \theta_n \\ & \ddots & \ddots & \vdots \\ & & \theta_1 & \theta_2 \\ & & & \theta_1 \end{pmatrix}, \\ X = \begin{pmatrix} & & & \theta_1 \\ & & \theta_1 & \theta_2 \\ & \vdots & \vdots & \vdots \\ \theta_1 & \theta_2 & \cdots & \theta_u \end{pmatrix}, Y = \begin{pmatrix} \theta_{u + 1} & \theta_{u + 2} & \cdots & \theta_{n + 1} \\ \theta_{u + 2} & \theta_{u + 3} & \cdots & \theta_{n + 2} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \theta_{m + n - u - 1} \\ \theta_{m + 1} & \cdots & \theta_{m + n - u - 1} & \theta_{m + n - u} \end{pmatrix}

(L,RL, R 分别是上下三角矩阵,X,YX, Y 都是 Hankel 矩阵)。

该引理帮助我们构建 fq,gqf_q, g_q 之间的递推关系,其证明是一个略显繁琐的计算过程,此处略过。

Proof of Lemma 2. 同前所述,我们只需要考虑 1≤u<min⁡{m,n}1 \le u < \min\{m, n\} 的情况,剩下的都是简单的。

对于一个满足 Φ(M)=u<min⁡{m,n}\Phi(M) = u < \min\{m, n\} 的 m×nm \times n Hankel 矩阵,我们发现上面 Lemma 3 中的 X,YX, Y 已经包含了 (θ1,…,θm+n−u)(\theta_1, \ldots, \theta_{m + n - u}) 中除 θu+1\theta_{u + 1} 的所有数。而再根据 (1),(2)(1), (2),(θ1,…,θm+n−u)(\theta_1, \ldots, \theta_{m + n - u}) 就已经可以决定一个 MM,而且不同的 θ∗\theta_* 显然给出不同的 MM。于是乎 {X,θu+1,Y}\{X, \theta_{u + 1}, Y\} 这样一个三元组就决定了 MM,我们只需要计数这样三元组的个数。

首先由 (1)(1) 中的第一条可知 θ1≠0\theta_1 \ne 0,于是 L,R,XL, R, X 全部满秩,进而:

k=rank(M)=rank(LMR)=rank(X00−Y)=rank(X)+rank(Y)=u+rank(Y).k = \text{rank}(M) = \text{rank}(L M R) = \text{rank} \begin{pmatrix} X & 0 \\ 0 & -Y \end{pmatrix} = \text{rank}(X) + \text{rank}(Y) = u + \text{rank}(Y).

这样我们就得出 YY 是一个秩为 k−uk - u 的 (m−u)×(n−u)(m - u) \times (n - u) Hankel 矩阵。

最后,由简单的乘法原理,{X,θu+1,Y}\{X, \theta_{u + 1}, Y\} 的个数为:

gq(m,n,k,u)=(q−1)qu−1⋅q⋅fq(m−u,n−u,k−u)=(q−1)qufq(m−u,n−u,k−u),g_q(m, n, k, u) = (q - 1) q^{u - 1} \cdot q \cdot f_q(m - u, n - u, k - u) = (q - 1) q^u f_q(m - u, n - u, k - u),

即得。□\Box

Proof of Theorem 1. 第一条和第四条都是简单的,我们关注剩下的。首先有:

fq(m,n,k)=∑u=1m+ngq(m,n,k,u).f_q(m, n, k) = \sum_{u = 1}^{m + n} g_q(m, n, k, u).

(a) 若 1≤k<min⁡{m,n}1 \le k < \min\{m, n\},则 Lemma 2 告诉我们:

fq(m,n,k)=∑u=1k(q−1)qufq(m−u,n−u,k−u)+(q−1)qk−1.f_q(m, n, k) = \sum_{u = 1}^k (q - 1) q^u f_q(m - u, n - u, k - u) + (q - 1) q^{k - 1}.

当 k=1k = 1 时 fq(m,n,k)=q2−1f_q(m, n, k) = q^2 - 1 正确。剩下的用归纳法,假设对所有更小的 m,n,km, n, k 都成立,则:

fq(m,n,k)=∑u=1k−1(q−1)quq2(k−u−1)(q2−1)+(q−1)(qk+qk−1)=q2(k−1)(q2−1).f_q(m, n, k) = \sum_{u = 1}^{k - 1} (q - 1) q^u q^{2 (k - u - 1)} (q^2 - 1) + (q - 1) (q^k + q^{k - 1}) = q^{2 (k - 1)} (q^2 - 1).

(b) 当 k=min⁡{m,n}k = \min\{m, n\} 时,假设 m≤nm \le n,则 k=mk = m。当 k=1k = 1 时显然 fq(1,n,1)=qn−1f_q(1, n, 1) = q^n - 1 满足。当 k>1k > 1 时,再次用归纳法,由 Lemma 2 可得:

fq(k,n,k)=∑u=1m+ngq(m,n,k,u)=∑u=1k−1(q−1)qufq(k−u,n−u,k−u)+∑u=kn(q−1)qk+n−u−1=∑u=1k−1(q−1)qu⋅q2(k−u−1)(qn−k+1−1)+qn−qk−1=(qn−k−1−1)q2(k−1)=q2(k−1)(q∣k−n∣+1−1).\begin{aligned} f_q(k, n, k) & = \sum_{u = 1}^{m + n} g_q(m, n, k, u) \\ & = \sum_{u = 1}^{k - 1} (q - 1) q^u f_q(k - u, n - u, k - u) + \sum_{u = k}^n (q - 1) q^{k + n - u - 1} \\ & = \sum_{u = 1}^{k - 1} (q - 1) q^u \cdot q^{2 (k - u - 1)} (q^{n - k + 1} - 1) + q^n - q^{k - 1} \\ & = (q^{n - k - 1} - 1) q^{2 (k - 1)} = q^{2 (k - 1)} (q^{|k - n| + 1} - 1). \end{aligned}

□\Box

该篇文章还进一步探讨了 Ψ(M)=v\Psi(M) = v 的特定秩的 Hankel 矩阵数量,其中 Ψ(M)\Psi(M) 是最大的可逆顺序主子式的阶。此处不展开,读者有兴趣可参见原论文。

参考文献

[Day60] David E. Daykin. Distribution of bordered persymmetric matrices in a finite field. In J. reine u. angew. Math. 203, pp. 47-54, 1960.