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對稱多項式


關於 n 個變數 x_1, ..., x_n 的對稱多項式(也稱為完全對稱多項式)是一個函式,它在對其變數進行任何置換時保持不變。換句話說,對稱多項式滿足

 f(y_1,y_2,...,y_n)=f(x_1,x_2,...,x_n),
(1)

其中 y_i=x_(pi(i))pi 是索引 1, 2, ..., n 的任意置換

對於固定的 nn 個變數的所有對稱多項式的集合形成一個維度為 n 的代數。次數為 n 的單變數多項式 f(x) 的係數是 f 的根的代數無關對稱多項式,因此構成所有此類對稱多項式集合的基。

對稱多項式有四個常見的齊次基,每個基都由一個劃分 lambda 索引(Dumitriu et al. 2004)。令 llambda 的長度,基本函式 e_lambda、完全齊次函式 h_lambda 和冪和函式 p_lambda 定義為 l=1 時:

e_(lambda_1)=sum_(j_1<j_2<...<j_(lambda_1))x_(j_1)...x_(j_(lambda_1))
(2)
h_(lambda_1)=sum_(m_1+...+m_n=lambda_1)product_(j=1)^(n)x^(m_j)
(3)
p_(lambda_1)=sum_(j=1)^(n)x^(lambda_1),
(4)

l>1 時,定義為:

 s_lambda=product_(i=1)^ls_(lambda_i)
(5)

其中 sehp 之一。此外,單項式函式 m_lambda 定義為

 m_lambda=sum_(sigma in S_lambda)x_(sigma(1))^(lambda_1)x_(sigma(2))^(lambda_2)...x_(sigma(m))^(lambda_m),
(6)

其中 S_lambda 是在求和中給出不同項的置換集合,並且 lambda 被認為是無限的。

由於幾種不同的縮寫和約定被普遍使用,因此在確定正在使用的對稱多項式時必須小心。

n 個變數 {x_1,...,x_n} 上的基本對稱多項式 Pi_k(x_1,...,x_n)(有時表示為 sigma_ke_lambda)定義為

Pi_1(x_1,...,x_n)=sum_(1<=i<=n)x_i
(7)
Pi_2(x_1,...,x_n)=sum_(1<=i<j<=n)x_ix_j
(8)
Pi_3(x_1,...,x_n)=sum_(1<=i<j<k<=n)x_ix_jx_k
(9)
Pi_4(x_1,...,x_n)=sum_(1<=i<j<k<l<=n)x_ix_jx_kx_l
(10)
|
(11)
Pi_n(x_1,...,x_n)=product_(1<=i<=n)x_i.
(12)

第 k 個基本對稱多項式在 Wolfram 語言中實現為SymmetricPolynomial[k, {x1, ..., xn}].SymmetricReduction[f, {x1, ..., xn}] 給出 x_1, ..., x_n 中的一對多項式 {p,q},其中 p 是對稱部分,q 是餘數。

或者,Pi_j(x_1,...,x_n) 可以定義為生成函式x^(n-j) 的係數

 product_(1<=i<=n)(x+x_i).
(13)

例如,對於四個變數 x_1, ..., x_4,基本對稱多項式為

Pi_1(x_1,x_2,x_3,x_4)=x_1+x_2+x_3+x_4
(14)
Pi_2(x_1,x_2,x_3,x_4)=x_1x_2+x_1x_3+x_1x_4+x_2x_3+x_2x_4+x_3x_4
(15)
Pi_3(x_1,x_2,x_3,x_4)=x_1x_2x_3+x_1x_2x_4+x_1x_3x_4+x_2x_3x_4
(16)
Pi_4(x_1,x_2,x_3,x_4)=x_1x_2x_3x_4.
(17)

冪和 S_p(x_1,...,x_n) 定義為

 S_p(x_1,...,x_n)=sum_(k=1)^nx_k^p.
(18)

S_pPi_1, ..., Pi_p 之間的關係由所謂的牛頓-吉拉德公式給出。相關函式 s_p(Pi_1,...,Pi_n) 的引數由基本對稱多項式(不是 x_n)給出,定義為

s_p(Pi_1,...,Pi_n)=(-1)^(p-1)S_p(x_1,...,x_n)
(19)
=(-1)^(p-1)sum_(k=1)^(n)x_k^p.
(20)

結果表明,s_p(Pi_1,...,Pi_n)生成函式的係數給出

 ln(1+Pi_1t+Pi_2t^2+Pi_3t^3+...)=sum_(k=1)^infty(s_k)/kt^k 
=Pi_1t+1/2(-Pi_1^2+2Pi_2)t^2+1/3(Pi_1^3-3Pi_1Pi_2+3Pi_3)t^3+...,
(21)

因此,前幾個值為

s_1=Pi_1
(22)
s_2=-Pi_1^2+2Pi_2
(23)
s_3=Pi_1^3-3Pi_1Pi_2+3Pi_3
(24)
s_4=-Pi_1^4+4Pi_1^2Pi_2-2Pi_2^2-4Pi_1Pi_3+4Pi_4.
(25)

一般來說,s_p 可以從行列式計算得出

 s_p=(-1)^(p-1)|Pi_1 1 0 0 ... 0; 2Pi_2 Pi_1 1 0 ... 0; 3Pi_3 Pi_2 Pi_1 1 ... 0; 4Pi_4 Pi_3 Pi_2 Pi_1 ... 0; | | | | ... 1; pPi_p Pi_(p-1) Pi_(p-2) Pi_(p-3) ... Pi_1|
(26)

(Littlewood 1958,Cadogan 1971)。特別地,

S_1(x_1,...,x_n)=sum_(k=1)^(n)x_k=Pi_1
(27)
S_2(x_1,...,x_n)=Pi_1^2-2Pi_2
(28)
S_3(x_1,...,x_n)=Pi_1^3-3Pi_1Pi_2+3Pi_3
(29)
S_4(x_1,...,x_n)=Pi_1^4-4Pi_1^2Pi_2+2Pi_2^2+4Pi_1Pi_3-4Pi_4
(30)

(Schroeppel 1972),可以透過代入並乘開來驗證。


另請參閱

對稱函式基本定理, Jack 多項式, 區域多項式, 多元 Hermite 多項式, 多元 Jacobi 多項式, 多元 Laguerre 多項式, 多元正交多項式, 牛頓-吉拉德公式, 正交多項式, 冪和, 對稱函式, 韋達定理

此條目的部分內容由 David Terr 貢獻

使用 探索

參考文獻

Borwein, P. and Erdélyi, T. Polynomials and Polynomial Inequalities. New York: Springer-Verlag, p. 5, 1995.Cadogan, C. C. "The Möbius Function and Connected Graphs." J. Combin. Th. B 11, 193-200, 1971.Dumitriu, I.; Edelman, A.; and Shuman, G. "MOPS: Multivariate Orthogonal Polynomials (Symbolically)." Preprint. March 26, 2004.Littlewood, J. E. A University Algebra, 2nd ed. London: Heinemann, 1958.Schroeppel, R. Item 6 in Beeler, M.; Gosper, R. W.; and Schroeppel, R. HAKMEM. Cambridge, MA: MIT Artificial Intelligence Laboratory, Memo AIM-239, p. 4, Feb. 1972. http://www.inwap.com/pdp10/hbaker/hakmem/geometry.html#item6.Séroul, R. "Newton-Girard Formulas." §10.12 in Programming for Mathematicians. Berlin: Springer-Verlag, pp. 278-279, 2000.

在 中引用

對稱多項式

請引用為

Terr, DavidWeisstein, Eric W. “對稱多項式。”來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/SymmetricPolynomial.html

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