数学において、レドヘファー行列 (レドヘファーぎょうが、 Redheffer matrix )は、レドヘファー(1977)によって研究されたと よく表記され、 iが jを 割り切る か、 j = 1の場合に要素 a ij が1になり 、それ以外の場合は a ij = 0になる正方(0,1)行列である。一部のコンテキストでは、 ディリクレ畳み込み 、または畳み込まれた 約数の和を 、レドヘファー行列の 転置を 含む行列積で 表すと便利です 。
あ
ん
{\displaystyle A_{n}}
ん
t
h
{\displaystyle n^{th}}
コンポーネントマトリックスのバリエーションと定義
レッドヘッファー行列の逆行列性は 行列の最初の列が 1 であることによって複雑になる ため、 と表現すると便利な場合が多い。ここで は (0,1) 行列 として定義され、その要素が 1 となるのは かつ の場合のみである 。 の残りの 1 の値を持つ要素は 、行列 によって反映される割り切れる条件に対応し、これは メビウス反転 の適用によって明らかにわかるように、 逆行列 では常に逆行列 で逆行列が可能である。したがって、 の 特異性 の特徴付けは次 のように表現される。
あ
ん
:=
C
ん
+
だ
ん
{\displaystyle A_{n}:=C_{n}+D_{n}}
C
ん
:=
[
c
私
じゅう
]
{\displaystyle C_{n}:=[c_{ij}]}
じゅう
=
1
{\displaystyle j=1}
私
≠
1
{\displaystyle i\neq 1}
あ
ん
{\displaystyle A_{n}}
だ
ん
{\displaystyle D_{n}}
だ
ん
−
1
=
[
μ
(
じゅう
/
私
)
ま
私
(
じゅう
)
]
{\displaystyle D_{n}^{-1}=\left[\mu (j/i)M_{i}(j)\right]}
あ
ん
{\displaystyle A_{n}}
詳細
(
あ
ん
)
=
詳細
(
だ
ん
−
1
C
ん
+
私
ん
)
。
{\displaystyle \det \left(A_{n}\right)=\det \left(D_{n}^{-1}C_{n}+I_{n}\right).}
関数を定義すると
ま
じゅう
(
私
)
:=
{
1
、
j が i を割り切る場合;
0
、
さもないと、
、
{\displaystyle M_{j}(i):={\begin{cases}1,&{\text{ j が i を割り切る場合; }}\\0,&{\text{ それ以外の場合、 }}\end{cases}},}
すると、Redheffer (転置) 行列を通常の行列表記法でn x n 正方行列 として 定義できます 。次のセクションでもこの表記法を使い続けます。
ん
t
h
{\displaystyle n^{th}}
R
ん
=
[
ま
じゅう
(
私
)
]
1
≤
私
、
じゅう
≤
ん
{\displaystyle R_{n}=[M_{j}(i)]_{1\leq i,j\leq n}}
例
下の行列は 12 × 12 の Redheffer 行列です。 の分割された行列の和の表記では 、 の最初の列に対応する下のエントリは 青でマークされています。
あ
12
:=
C
12
+
だ
12
{\displaystyle A_{12}:=C_{12}+D_{12}}
C
ん
{\displaystyle C_{n}}
(
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
)
{\displaystyle \left({\begin{matrix}1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1\\{\color {blue}\mathbf {1} }&1&0&1&0&1&0&1&0&1&0&1\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&1&0&0&1&0&0&1&0&0&1\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&1&0&0&0&1&0&0&0&1\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&1&0&0&0&0&1&0&0\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&1&0&0&0&0&0&1\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&0&1&0&0&0&0&0\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&0&0&1&0&0&0&0\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&0&0&0&1&0&0&0\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&0&0&0&0&1&0&0\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&0&0&0&0&0&1&0\\{\color {blue}\mathbf {1} }&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&1\end{matrix}}\right)}
メビウスの逆行列公式 の対応する応用は、 レドヘッファー転置行列が常に 逆行列である ことを示しており 、逆行列の要素は次のように与えられる。
n
t
h
{\displaystyle n^{th}}
R
n
−
1
=
[
M
j
(
i
)
⋅
μ
(
i
j
)
]
1
≤
i
,
j
≤
n
,
{\displaystyle R_{n}^{-1}=\left[M_{j}(i)\cdot \mu \left({\frac {i}{j}}\right)\right]_{1\leq i,j\leq n},}
ここで、は メビウス関数 を表します 。この場合、 逆レドヘッファー転置行列は次のように与えられます。
μ
(
n
)
{\displaystyle \mu (n)}
12
×
12
{\displaystyle 12\times 12}
R
12
−
1
=
(
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
−
1
−
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
−
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
−
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
−
1
0
0
−
1
0
0
0
0
1
0
0
−
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
−
1
0
−
1
0
0
0
0
0
1
)
{\displaystyle R_{12}^{-1}=\left({\begin{matrix}1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\0&-1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&0&0&1&0&0&0&0&0&0&0\\1&-1&-1&0&0&1&0&0&0&0&0&0\\-1&0&0&0&0&0&1&0&0&0&0&0\\0&0&0&-1&0&0&0&1&0&0&0&0\\0&0&-1&0&0&0&0&0&1&0&0&0\\1&-1&0&0&-1&0&0&0&0&1&0&0\\-1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&1&0\\0&1&0&-1&0&-1&0&0&0&0&0&1\\\end{matrix}}\right)}
主な特性
特異点とメルテンス関数および特殊級数との関係
決定要因
n × n 正方 レドヘッファー行列の 行列 式は、 メルテンス関数 M ( n )で与えられる 。特に、 メルテンス関数がゼロ(または符号が変化する 直前)のとき、行列は逆行列を持たない。 メルテンス予想 の 反証 [1] の帰結として、メルテンス関数は符号が変化し、したがってゼロになることが無限回あるため、レドヘッファー行列は 無限個の自然数で特異となる。
A
n
{\displaystyle A_{n}}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
リーマン予想は、すべての(十分に小さい)に対して であることを示すことと同等であるため、 レドヘッファー行列の行列式は、 メルテンス関数とのこの関係を通じて、すぐに リーマン予想 に結び付けられます。
M
(
x
)
=
O
(
x
1
/
2
+
ε
)
{\displaystyle M(x)=O\left(x^{1/2+\varepsilon }\right)}
ε
>
0
{\displaystyle \varepsilon >0}
これらの行列によって符号化された和の因数分解
(0,1)行列の 要素を、ある増加するインデックスセットのシーケンスへの包含を表すために 再解釈するやや型破りな構成では、これらの行列が ランバート級数の因数分解にも関連していることがわかります。この観察は、固定された 算術関数 f に対して、 f 上の次のランバート級数展開の係数が、 これらの展開の級数係数に到達するために
f を 合計するインデックスのいわゆる包含マスクを提供するという点で提供されています。特に、
∑
d
|
n
f
(
d
)
=
∑
k
=
1
n
M
k
(
n
)
⋅
f
(
k
)
=
[
q
n
]
(
∑
n
≥
1
f
(
n
)
q
n
1
−
q
n
)
.
{\displaystyle \sum _{d|n}f(d)=\sum _{k=1}^{n}M_{k}(n)\cdot f(k)=[q^{n}]\left(\sum _{n\geq 1}{\frac {f(n)q^{n}}{1-q^{n}}}\right).}
さて、上記の展開からわかるように、これらの約数和が自然数n の約数集合にブール値(0-1)で包含される特殊なケースでは、これらの 和を列挙するランバート級数生成関数を、さらに別の行列ベースの構成で再解釈することが可能です。つまり、MercaとSchmidt(2017-2018)は、これらの生成関数を次の形式で展開して可逆な行列分解を証明しました。 [2]
∑
n
≥
1
f
(
n
)
q
n
1
−
q
n
=
1
(
q
;
q
)
∞
∑
n
≥
1
(
∑
k
=
1
n
s
n
,
k
f
(
k
)
)
q
n
,
{\displaystyle \sum _{n\geq 1}{\frac {f(n)q^{n}}{1-q^{n}}}={\frac {1}{(q;q)_{\infty }}}\sum _{n\geq 1}\left(\sum _{k=1}^{n}s_{n,k}f(k)\right)q^{n},}
ここで、 は 無限 q-ポッホハマー記号 を表し、 の下三角行列列は の係数として正確に生成されます 。これらの項は、特殊な偶数(奇数)インデックス付きパーティション関数の差として解釈することもできます。MercaとSchmidt(2017)は、暗黙の関数 f を元のLambert級数生成関数の 畳み込み係数の合計として表すことができる簡単な反転式も証明しました 。[3]
(
q
;
q
)
∞
{\displaystyle (q;q)_{\infty }}
s
n
,
k
=
[
q
n
]
q
k
1
−
q
k
(
q
;
q
)
∞
{\displaystyle s_{n,k}=[q^{n}]{\frac {q^{k}}{1-q^{k}}}(q;q)_{\infty }}
ℓ
(
n
)
=
(
f
∗
1
)
(
n
)
{\displaystyle \ell (n)=(f\ast 1)(n)}
f
(
n
)
=
∑
d
|
n
∑
k
=
1
n
p
(
d
−
k
)
μ
(
n
/
d
)
[
∑
j
≥
0
k
−
j
≥
0
ℓ
(
k
−
j
)
[
q
j
]
(
q
;
q
)
∞
]
,
{\displaystyle f(n)=\sum _{d|n}\sum _{k=1}^{n}p(d-k)\mu (n/d)\left[\sum _{j\geq 0 \atop k-j\geq 0}\ell (k-j)[q^{j}](q;q)_{\infty }\right],}
ここで、 p(n) は 分配関数 、 は メビウス 関数 、の係数は 五角数定理 により j の二次依存性を継承します。この逆変換公式は 、ここでの完全性のために、
Redheffer 行列の逆行列 (存在する場合) と比較されます。
μ
(
n
)
{\displaystyle \mu (n)}
(
q
;
q
)
∞
{\displaystyle (q;q)_{\infty }}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
それ以外の点では、手元の約数和にインデックスを含めることを指定する、いわゆる マスク 行列の基礎となるものは可逆であり、このタイプの構成を利用して他の特別な数論的和に対する他の Redheffer のような行列を拡張することは、ここで古典的に研究されている形式に限定される必要はありません。たとえば、2018 年に Mousavi と Schmidt は、このような行列ベースの因数分解補題を、アンダーソン-アポストル約数和 ( ラマヌジャン和は注目すべき特別なケース) や、各 n に互いに素である整数でインデックス付けされた和 (たとえば、 オイラーのファイ関数 で表される合計を古典的に定義するように) の場合に拡張しました。 [4]さらに重要なのは、以下のアプリケーションのセクションで検討する例は、他の特別な数論的和を表す 一般化された Redheffer 行列 と見なすことができるものの特性の研究を示唆しているということです 。
スペクトル半径と固有空間
の スペクトル半径を 、すなわち の スペクトル における支配的な最大モジュラス固有値 で表すと 、
A
n
{\displaystyle A_{n}}
ρ
n
{\displaystyle \rho _{n}}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
lim
n
→
∞
ρ
n
n
=
1
,
{\displaystyle \lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {\rho _{n}}{\sqrt {n}}}=1,}
これは、 n が大きい場合 のスペクトルの漸近挙動を制限します 。 であることも示され 、注意深い分析 (以下の特性多項式展開を参照) により であることが示されます 。
A
n
{\displaystyle A_{n}}
1
+
n
−
1
≤
ρ
n
<
n
+
O
(
log
n
)
{\displaystyle 1+{\sqrt {n-1}}\leq \rho _{n}<{\sqrt {n}}+O(\log n)}
ρ
n
=
n
+
log
n
+
O
(
1
)
{\displaystyle \rho _{n}={\sqrt {n}}+\log {\sqrt {n}}+O(1)}
行列には 重複度 の 固有値 1があります 。
A
n
{\displaystyle A_{n}}
n
−
⌊
log
2
(
n
)
⌋
−
1
{\displaystyle n-\left\lfloor \log _{2}(n)\right\rfloor -1}
固有値 に対応する 固有空間 の次元は であることが知られています 。特に、これは の ときは常に が 対角化でき ないことを意味します 。
E
λ
(
A
n
)
{\displaystyle E_{\lambda }(A_{n})}
λ
:=
1
{\displaystyle \lambda :=1}
⌊
n
2
⌋
−
1
{\displaystyle \left\lfloor {\frac {n}{2}}\right\rfloor -1}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
n
≥
5
{\displaystyle n\geq 5}
の 他のすべての固有値については 、対応する固有空間の次元は 1 です。
λ
≠
1
{\displaystyle \lambda \neq 1}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
E
λ
(
A
n
)
{\displaystyle E_{\lambda }(A_{n})}
固有ベクトルの特徴
は のスペクトル内の 何らかの 固有値 に対応するの 固有ベクトル で あり、 次の 2 つの条件が成立する
場合に限ります。
[
a
1
,
a
2
,
…
,
a
n
]
{\displaystyle [a_{1},a_{2},\ldots ,a_{n}]}
A
n
T
{\displaystyle A_{n}^{T}}
λ
∈
σ
(
A
n
)
{\displaystyle \lambda \in \sigma (A_{n})}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
n
≥
2
{\displaystyle n\geq 2}
λ
a
n
=
∑
d
|
n
a
d
and
λ
a
1
=
∑
k
=
1
n
a
k
.
{\displaystyle \lambda a_{n}=\sum _{d|n}a_{d}\quad {\text{ and }}\quad \lambda a_{1}=\sum _{k=1}^{n}a_{k}.}
となるいわゆる非 自明な ケースに限定すると 、任意の初期固有ベクトル成分が与えられれば、残りの n-1 成分を次の式に従って
再帰的に計算できる。
λ
≠
1
{\displaystyle \lambda \neq 1}
a
1
{\displaystyle a_{1}}
a
j
=
1
λ
−
1
∑
d
|
j
d
<
j
a
d
.
{\displaystyle a_{j}={\frac {1}{\lambda -1}}\sum _{d|j \atop d<j}a_{d}.}
これを念頭に置いて、 我々は次の順序を定義することができる。
λ
≠
1
{\displaystyle \lambda \neq 1}
v
λ
(
n
)
:=
{
1
,
n
=
1
;
1
λ
−
1
∑
d
|
n
d
≠
n
v
λ
(
d
)
,
n
≥
2.
{\displaystyle v_{\lambda }(n):={\begin{cases}1,&n=1;\\{\frac {1}{\lambda -1}}\sum _{d|n \atop d\neq n}v_{\lambda }(d),&n\geq 2.\end{cases}}}
これらのシーケンスの定義に関連して、興味深い意味合いがいくつ
かある。まず、
λ
∈
σ
(
A
n
)
{\displaystyle \lambda \in \sigma (A_{n})}
∑
k
=
1
n
v
λ
(
k
)
=
λ
.
{\displaystyle \sum _{k=1}^{n}v_{\lambda }(k)=\lambda .}
第二に、これらの数列上のディリクレ級数 、または ディリクレ生成関数 の公式が確立されており 、これは 次の式で与えられる
すべての数列に対して成り立ちます。
λ
≠
1
{\displaystyle \lambda \neq 1}
ℜ
(
s
)
>
1
{\displaystyle \Re (s)>1}
∑
n
≥
1
v
λ
(
n
)
n
s
=
λ
−
1
λ
−
ζ
(
s
)
,
{\displaystyle \sum _{n\geq 1}{\frac {v_{\lambda }(n)}{n^{s}}}={\frac {\lambda -1}{\lambda -\zeta (s)}},}
ここで 、もちろん通常通り リーマンゼータ関数 を表します。
ζ
(
s
)
{\displaystyle \zeta (s)}
非自明な固有値の境界と性質
の 特性多項式 の零点を評価し、その係数を境界値で囲むグラフ理論的解釈は、 の セクション 5.1 で与えられている。 [5] の 固有値 1 に対応する ジョルダンブロック のサイズの推定値は、で与えられている。 [6] これらの行列の 特性多項式 を因数分解する 修正 アプローチの特性の簡単な概要は 、上記の参考文献から境界値を正当化するやや技術的な証明の全範囲を省いてここで定義される。すなわち、略記とを使用して 、次の式に従って補助多項式展開のシーケンスを定義する。
A
n
{\displaystyle A_{n}}
A
n
{\displaystyle A_{n}}
p
A
n
(
x
)
{\displaystyle p_{A_{n}}(x)}
s
:=
⌊
log
2
(
n
)
⌋
{\displaystyle s:=\lfloor \log _{2}(n)\rfloor }
f
n
(
t
)
:=
p
A
n
(
t
+
1
)
t
n
−
s
−
1
=
t
s
+
1
−
∑
k
=
1
s
v
n
k
t
s
−
k
.
{\displaystyle f_{n}(t):={\frac {p_{A_{n}}(t+1)}{t^{n-s-1}}}=t^{s+1}-\sum _{k=1}^{s}v_{nk}t^{s-k}.}
すると、 には で表された2つの実根があり、 これらは
f
n
(
t
)
{\displaystyle f_{n}(t)}
t
n
±
{\displaystyle t_{n}^{\pm }}
t
n
±
=
±
n
+
log
n
+
γ
−
3
2
+
O
(
log
2
(
n
)
n
)
,
{\displaystyle t_{n}^{\pm }=\pm {\sqrt {n}}+\log {\sqrt {n}}+\gamma -{\frac {3}{2}}+O\left({\frac {\log ^{2}(n)}{\sqrt {n}}}\right),}
ここで、は オイラーの古典的なガンマ定数 であり 、これらの多項式の残りの係数は次のように制限される。
γ
≈
0.577216
{\displaystyle \gamma \approx 0.577216}
|
v
n
k
|
≤
n
⋅
log
k
−
1
(
n
)
(
k
−
1
)
!
.
{\displaystyle |v_{nk}|\leq {\frac {n\cdot \log ^{k-1}(n)}{(k-1)!}}.}
多項式のこれら 2 つの主要な零点によって特徴付けられない、よりサイズ制約のある固有値のプロットは、以下に示す残りの 20 個の複素零点によって証明されるように、注目に値するようです 。次の画像は、 ここで参照用に入手可能な、上記で引用した無料で入手可能な記事から転載したものです。
f
n
(
t
)
{\displaystyle f_{n}(t)}
n
∼
10
6
{\displaystyle n\sim 10^{6}}
応用と一般化
我々は、パリティが指数集合の増加シーケンスへの包含に対応する(0,1) 行列 として解釈される Redheffer 行列の有用性の例をいくつか提供する。これらの例は、これらの行列の時として時代遅れの歴史的観点の一部を刷新し、その行列式と メルテンス関数およびリーマン 予想 の同等のステートメントとの本質的で深い関係により、脚注に値するものであることに役立つはずである 。この解釈は、特殊な Redheffer 行列の行列式の一般的な処理よりも 、構築においてはるかに組み合わせ論的で ある 。とはいえ、特殊な和のシーケンスを列挙する際のこの組み合わせ論的なひねりは、最近いくつかの論文で検討されており、プレプリント アーカイブで活発に関心を集めているトピックである。上で定義した Redheffer 行列の変形の完全な構築に入る前に 、このタイプの展開は、多くの点で本質的には、 行列のエントリが級数の形式変数の係数である切断されたべき級数式を表すために Toeplitz 行列を使用する別のバリエーションにすぎないことに注意してください。 (0,1) 行列のこの特定のビューを、ある固定された関数の有限和に加算インデックスを含めることをマスクするものとして適用してみましょう。一般的な 算術関数 の場合のコンテキストでの Redheffer 行列の既存の一般化については、 参考文献 [7] と [8] の引用を参照してください。逆行列項は、このタイプの和のコンテキスト内では一般化された メビウス関数 と呼ばれます。 [9]
R
n
{\displaystyle R_{n}}
ディリクレ畳み込みとディリクレ逆行列を展開する行列積
まず、任意の2つの非同一のゼロ 算術関数 f と gが与えられた場合、それらの ディリクレ畳み込みを 自然数でインデックス付けされた行に エンコードする明示的な行列表現を提供できます 。
n
≥
1
,
1
≤
n
≤
x
{\displaystyle n\geq 1,1\leq n\leq x}
D
f
,
g
(
x
)
:=
[
M
d
(
n
)
f
(
d
)
g
(
n
/
d
)
]
1
≤
d
,
n
≤
x
=
[
0
0
⋯
0
g
(
x
)
0
0
⋯
g
(
x
−
1
)
g
(
x
)
…
…
⋱
⋱
⋯
g
(
1
)
g
(
2
)
⋯
g
(
x
−
1
)
g
(
x
)
]
[
0
0
⋯
0
f
(
1
)
0
0
⋯
f
(
2
)
f
(
1
)
…
…
⋱
⋱
⋯
f
(
x
)
f
(
x
−
1
)
⋯
f
(
2
)
f
(
1
)
]
R
x
T
.
{\displaystyle D_{f,g}(x):=\left[M_{d}(n)f(d)g(n/d)\right]_{1\leq d,n\leq x}={\begin{bmatrix}0&0&\cdots &0&g(x)\\0&0&\cdots &g(x-1)&g(x)\\\ldots &\ldots &\ddots &\ddots &\cdots \\g(1)&g(2)&\cdots &g(x-1)&g(x)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}0&0&\cdots &0&f(1)\\0&0&\cdots &f(2)&f(1)\\\ldots &\ldots &\ddots &\ddots &\cdots \\f(x)&f(x-1)&\cdots &f(2)&f(1)\end{bmatrix}}R_{x}^{T}.}
次に、すべて1のベクトルを表すとすると、 行列ベクトル積の行が 畳み込みディリクレ和を与えること
が容易に分かる。
e
T
:=
[
1
,
1
,
…
,
1
]
{\displaystyle e^{T}:=[1,1,\ldots ,1]}
n
t
h
{\displaystyle n^{th}}
e
T
⋅
D
f
,
g
(
x
)
{\displaystyle e^{T}\cdot D_{f,g}(x)}
(
f
∗
g
)
(
n
)
=
∑
d
|
n
f
(
d
)
g
(
n
/
d
)
,
{\displaystyle (f\ast g)(n)=\sum _{d|n}f(d)g(n/d),}
すべてにおいて 、上限インデックスは 任意です。
1
≤
n
≤
x
{\displaystyle 1\leq n\leq x}
x
≥
2
{\displaystyle x\geq 2}
任意の関数 fが与えられたときに特に面倒な作業の 1 つは、この関数の標準的な再帰定義に頼ることなく、その ディリクレ逆関数 を正確に決定することです。この定義では、同じ関数 f とその不十分に指定された逆関数を含む別の畳み込み因子和を介して、この関数 を定義します。
f
−
1
(
n
)
=
−
1
f
(
1
)
∑
d
∣
n
d
<
n
f
(
n
d
)
f
−
1
(
d
)
,
n
>
1
where
f
−
1
(
1
)
:=
1
/
f
(
1
)
.
{\displaystyle f^{-1}(n)\ =\ {\frac {-1}{f(1)}}\mathop {\sum _{d\,\mid \,n}} _{d<n}f\left({\frac {n}{d}}\right)f^{-1}(d),\ n>1{\text{ where }}f^{-1}(1):=1/f(1).}
一般に、 f の ディリクレ逆関数 、すなわち、 となる一意に定義された算術関数には 、1 から までの深さのネストされた約数和の和が含まれることは明らかです。 ここで、この上限は、 n の異なる素因数の数を数える 素数オメガ関数 です。この例が示すように、さまざまな Redheffer 行列を使用した行列の逆変換を介して、ディリクレ逆関数の値を構築する別の方法を定式化できます 。
f
−
1
(
n
)
{\displaystyle f^{-1}(n)}
(
f
−
1
∗
f
)
(
n
)
=
δ
n
,
1
{\displaystyle (f^{-1}\ast f)(n)=\delta _{n,1}}
ω
(
n
)
{\displaystyle \omega (n)}
R
n
{\displaystyle R_{n}}
数論的約数和、畳み込み、ディリクレ級数(ほんの数例)の行列表現による展開を確立しようと奮闘する、価値ある雑誌のよく引用される論文がいくつかあります。これらの表現の真に注目すべき重要な応用に関連する、対応するスペクトルと固有空間に関する重要な推定値に加えて、これらの形式の和を行列積で表すための基本的な仕組みは、いわゆる マスキング行列を効果的に定義することです。このマスキング行列 の 0 または 1 の値を持つエントリは、自然数の集合の増加シーケンスに含まれることを示します 。前述の専門用語が、さまざまな特殊な和を表す行列ベースのシステムを設定するのに適切であることを示すために、次の構成を考えてみましょう。 を インデックス セットのシーケンスとし、任意の固定された 算術関数 に対して、和を定義します。
{
1
,
2
,
…
,
n
}
{\displaystyle \{1,2,\ldots ,n\}}
A
n
⊆
[
1
,
n
]
∩
Z
{\displaystyle {\mathcal {A}}_{n}\subseteq [1,n]\cap \mathbb {Z} }
f
:
N
⟶
C
{\displaystyle f:\mathbb {N} \longrightarrow \mathbb {C} }
S
A
,
f
(
n
)
↦
S
f
(
n
)
:=
∑
k
∈
A
n
f
(
k
)
.
{\displaystyle S_{{\mathcal {A}},f}(n)\mapsto S_{f}(n):=\sum _{k\in {\mathcal {A}}_{n}}f(k).}
ムサヴィとシュミット(2017)が考察した和のクラスの1つは、最後の定義のインデックスセットを次のように設定することで、互いに素な約数和を定義している。
A
n
↦
G
n
:=
{
1
≤
d
≤
n
:
gcd
(
d
,
n
)
=
1
}
.
{\displaystyle {\mathcal {A}}_{n}\mapsto {\mathcal {G}}_{n}:=\{1\leq d\leq n:\gcd(d,n)=1\}.}
このクラスの和は、オイラーのファイ関数 (古典的には と定義する )
を含む、数論的に興味深い重要な特殊算術関数を表現するために使用できる。
m
:=
0
{\displaystyle m:=0}
φ
(
n
)
=
∑
d
∈
G
n
d
m
,
{\displaystyle \varphi (n)=\sum _{d\in {\mathcal {G}}_{n}}d^{m},}
メビウス関数 も 離散(有限)フーリエ変換として表現されます。
μ
(
n
)
=
∑
gcd
(
k
,
n
)
=
1
1
≤
k
≤
n
e
2
π
i
k
n
.
{\displaystyle \mu (n)=\sum _{\stackrel {1\leq k\leq n}{\gcd(k,\,n)=1}}e^{2\pi i{\frac {k}{n}}}.}
論文全文中の引用文献には、 円分多項式 (およびその対数)への応用など、このクラスの和の他の例が示されています。参照されている Mousavi と Schmidt (2017) の論文では、これらの和を展開するための因数分解定理のような処理が開発されており、これは前のセクションで示した Lambert 級数の因数分解の結果に類似しています。このインデックス セットの定義に関連する行列とその逆行列により、除数和の メビウス反転 の類似を実行できます。これを使用して 、逆行列要素と左側の特殊関数の準畳み込み和として加 数関数 f を 表すことができます (最後の 2 つの例で示されているまたはなど )。これらの逆行列には多くの興味深い特性があり (現在、それらすべてをまとめた適切な参考文献はありません)、新しい読者には調べることでそれを最もよく暗示して伝えることができます。これを念頭に置いて、上側のインデックスのケース と、この場合に定義される次の関連行列について考えてみましょう。
A
n
{\displaystyle {\mathcal {A}}_{n}}
φ
(
n
)
{\displaystyle \varphi (n)}
μ
(
n
)
{\displaystyle \mu (n)}
x
:=
21
{\displaystyle x:=21}
(
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
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1
0
1
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0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
1
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0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
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1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
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0
0
0
1
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0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
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0
0
1
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0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
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1
1
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1
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0
1
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1
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1
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1
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0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
)
−
1
=
(
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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0
0
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0
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−
1
−
1
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0
0
0
0
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−
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1
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0
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0
0
0
1
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0
−
1
−
1
1
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0
0
0
0
0
0
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0
0
0
0
1
0
−
1
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−
1
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1
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
2
−
1
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0
−
1
1
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
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0
0
1
0
−
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
−
1
1
0
−
1
1
−
1
−
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
1
0
0
0
−
1
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0
0
1
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0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
−
1
0
0
0
1
0
0
−
1
−
1
1
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0
0
0
0
0
0
0
3
0
−
2
0
−
2
0
2
0
−
1
0
−
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
−
3
0
1
0
3
0
−
1
−
1
1
0
0
0
−
1
1
0
0
0
0
0
0
−
1
0
1
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1
0
−
1
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0
0
0
0
−
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
−
2
0
0
1
0
0
1
−
1
1
−
1
−
1
1
0
0
0
0
−
3
0
2
0
2
0
−
2
0
1
0
0
0
−
1
0
0
0
1
0
0
0
3
0
−
2
0
−
2
0
2
0
−
1
0
0
0
1
0
0
−
1
−
1
1
0
0
1
0
−
1
0
0
0
1
0
−
1
0
0
0
0
0
0
0
−
1
0
1
0
−
1
0
0
−
1
1
1
0
−
1
2
−
1
−
1
1
−
1
1
1
−
1
0
0
−
1
1
)
{\displaystyle \left({\begin{smallmatrix}1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&0&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&1&1&1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&1&0&1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&0&1&1&0&1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&1&0&0&0&1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&0&0&1&0&1&0&0&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&1&0&1&0&0&0&1&0&1&0&1&0&0&0&0&0&0&0\\1&1&0&1&0&0&1&1&0&0&1&0&1&1&0&0&0&0&0&0\\1&0&1&0&1&0&1&0&1&0&1&0&1&0&1&0&0&0&0&0\\1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&0&0&0&0\\1&0&0&0&1&0&1&0&0&0&1&0&1&0&0&0&1&0&0&0\\1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&0&0\\1&0&1&0&0&0&1&0&1&0&1&0&1&0&0&0&1&0&1&0\\1&1&0&1&1&0&0&1&0&1&1&0&1&0&0&1&1&0&1&1\\\end{smallmatrix}}\right)^{-1}=\left({\begin{smallmatrix}1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&-1&-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&0&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&0&-1&-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&-1&0&-1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&2&-1&0&0&-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&0&0&1&0&-1&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&-1&1&0&-1&1&-1&-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\-1&0&1&0&0&0&-1&0&0&0&1&0&0&0&0&0&0&0&0&0\\1&0&-1&0&0&0&1&0&0&-1&-1&1&0&0&0&0&0&0&0&0\\3&0&-2&0&-2&0&2&0&-1&0&-1&0&1&0&0&0&0&0&0&0\\-3&0&1&0&3&0&-1&-1&1&0&0&0&-1&1&0&0&0&0&0&0\\-1&0&1&0&1&0&-1&0&0&0&0&0&-1&0&1&0&0&0&0&0\\1&0&0&0&-2&0&0&1&0&0&1&-1&1&-1&-1&1&0&0&0&0\\-3&0&2&0&2&0&-2&0&1&0&0&0&-1&0&0&0&1&0&0&0\\3&0&-2&0&-2&0&2&0&-1&0&0&0&1&0&0&-1&-1&1&0&0\\1&0&-1&0&0&0&1&0&-1&0&0&0&0&0&0&0&-1&0&1&0\\-1&0&0&-1&1&1&0&-1&2&-1&-1&1&-1&1&1&-1&0&0&-1&1\\\end{smallmatrix}}\right)}
ただし、非標準的ではあるが明確な応用を持つ他の特殊な和を定義する可逆行列の例は、完全性のためにこの一般化セクションでカタログ化してリストする必要があります。 反転関係 の既存の要約、特にこれらの形式の和を反転して関連付けることができる正確な基準は、 直交多項式に関する多くの参考文献に記載されています。 十分に可逆である、または十分に適切に動作する 重み係数の三角形セット 上の和の関係を反転するためのこのタイプの因数分解処理の 他の良い例
としては、 メビウスの反転公式 、 二項変換 、 スターリング変換などがあります。
参照
参考文献
^ オドリズコ、午前 ; te Riele、HJJ (1985)、「メルテンス予想の反証」 (PDF) 、 Journal für die reine und angewandte Mathematik 、 1985 (357): 138–160、 doi :10.1515/crll.1985.357.138、 ISSN 0075-4102 、 氏 0783538、 S2CID 13016831、 Zbl 0544.10047
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