Аналитическое обращение матриц из одного узкого класса
Disclaimer: вполне вероятно, что данный результат давно был кем-то получен или выводится из каких-то более общих результатов для матриц подобного вида, но я не знаток матричной математики, а серьёзный поиск предпринимать было лень.
Пусть n ∈ ℕ, определим A(n) как n×n-матрицу следующего вида:
1 2 3 ... (n−2) (n−1) n 2 3 4 ... (n−1) n 1 3 4 5 ... n 1 2 ... ... ... (n−2) (n−1) n ... (n−5) (n−4) (n−3) (n−1) n 1 ... (n−4) (n−3) (n−2) n 1 2 ... (n−3) (n−2) (n−1)
Википедия сообщает, что данные матрицы являются подмножеством класса матриц, называемых «антициркулянтами».
Оказалось, что для любого n не составляет труда выписать матрицу A−1(n). Приведённая ниже конструкция была получена эмпирически, затем проверена аналитически «на бумажке».
Обозначим q = 1 + 2 + … + n = n(n + 1)/2, a = (1 − q), b = (1 + q), c = nq, тогда матрица cA−1(n) имеет следующий вид:
a 1 1 1 ... 1 b 1 1 1 ... 1 b a 1 1 ... 1 b a 1 ... ... ... 1 1 b a 1 ... 1 1 b a 1 1 ... 1 b a 1 1 1 ... 1
То есть также является «антициркулянтом», не содержащим нулевых элементов.
Доказать то, что указанная конструкция действительно даёт нам обратную к A(n) матрицу, не составляет большого труда. Для этого достаточно проверить, что:
- (1, 2, 3, …, n)T(a, 1, 1, …, 1, b) = c;
- при i = 1, 2, …, (n−1) имеем i(b + a) + a + q − 2i − 1 = 0 — для всех прочих перестановок.