Построение Палея

Построение Палея — это метод построения матриц Адамара с помощью конечного поля. Построение описал в 1933 году английский математик Реймонд Палей^[англ.].

Построение Палея использует квадратичные вычеты в конечном поле GF(q), где q является степенью нечётного простого числа. Имеется две версии построения, зависящие от того, q сравнимо с 1 или 3 по модулю 4.

Квадратный характер и матрица Якобсталя

Квадратный характер ${\displaystyle \chi (a)}$ показывает, является ли элемент a конечного поля полным квадратом. В частности, ${\displaystyle \chi (0)=0,\chi (a)=1}$, если ${\displaystyle a=b^{2}}$ для некоторого ненулевого элемента конечного поля b, и ${\displaystyle \chi (a)=-1}$, если a не является квадратом какого-либо элемента конечного поля. Например, в GF(7) ненулевыми квадратами являются ${\displaystyle 1=1^{2}=6^{2}}$, ${\displaystyle 4=2^{2}=5^{2}}$ и ${\displaystyle 2=3^{2}=4^{2}}$. Следовательно, ${\displaystyle \chi (0)=0,\chi (1)=\chi (2)=\chi (4)=1}$ и ${\displaystyle \chi (3)=\chi (5)=\chi (6)=-1}$.

Матрица Якобсталя Q для ${\displaystyle GF(q)}$ является ${\displaystyle q{\times }q}$ матрицей со строками и столбцами, индексированными элементами конечного поля, такой, что элемент в строке a и столбце b равен ${\displaystyle \chi (a-b)}$. Например, в GF(7), если строки и столбцы матрицы Якобсталя индексированы элементами поля 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, то

${\displaystyle Q={\begin{bmatrix}0&-1&-1&1&-1&1&1\\1&0&-1&-1&1&-1&1\\1&1&0&-1&-1&1&-1\\-1&1&1&0&-1&-1&1\\1&-1&1&1&0&-1&-1\\-1&1&-1&1&1&0&-1\\-1&-1&1&-1&1&1&0\end{bmatrix}}.}$

Матрица Якобсталя имеет свойства ${\displaystyle QQ^{T}=qE-J}$ и ${\displaystyle QJ=JQ=0}$, где E — ${\displaystyle q{\times }q}$ единичная матрица, а J равна ${\displaystyle q{\times }q}$ матрице, в которой все элементы равны -1. Если q сравнимо с 1 (mod 4), то −1 является квадратом в GF(q), откуда следует, что Q является симметричной матрицей. Если q сравнимо с 3 (mod 4), то −1 не является квадратом и Q является кососимметричной матрице. Если q — простое число, Q является циркулянтом. То есть каждая строка получается из строки выше циклической перестановкой.

Построение Палея I

Если q сравнимо с 3 (mod 4), то

${\displaystyle H=E+{\begin{bmatrix}0&j^{T}\\-j&Q\end{bmatrix}}}$

является матрицей Адамара размера ${\displaystyle q+1}$. Здесь j — вектор-столбец длины q, состоящий из -1, а E — ${\displaystyle (q+1)\times (q+1)}$ единичная матрица. Матрица H является косоадамаровой матрицей, это означает, что она удовлетворяет равенству ${\displaystyle H+H^{T}=2E}$.

Построение Палея II

Если q сравнимо с 1 (mod 4), то матрица, полученная заменой всех 0 в

${\displaystyle {\begin{bmatrix}0&j^{T}\\j&Q\end{bmatrix}}}$

на матрицу

${\displaystyle {\begin{bmatrix}1&-1\\-1&-1\end{bmatrix}}}$,

а всех элементов ${\displaystyle {\pm }1}$ на матрицу

${\displaystyle \pm {\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}}$,

является матрицей Адамара размера ${\displaystyle 2(q+1)}$. Это симметричная матрица Адамара.

Примеры

Если применить построение Палея I к матрице Якобсталя для GF(7), получим ${\displaystyle 8{\times }8}$ матрицу Адамара,

11111111
-1--1-11
-11--1-1
-111--1-
--111--1
-1-111--
--1-111-
---1-111.

В качестве примера построения Палея II, когда q является степенью простого, а не простым числом, рассмотрим GF(9). Это расширение поля GF(3), полученная добавлением корня неприводимого квадратного многочлена. Различные неприводимые квадратные многочлены дают эквивалентные поля. Если выбрать ${\displaystyle x^{2}+x-1}$ и корень a этого многочлена, девять элементов GF(9) могут быть записаны в виде ${\displaystyle 0,1,-1,a,a+1,a-1,-a,-a+1,-a-1}$. Ненулевыми квадратами будут ${\displaystyle 1=({\pm }1)^{2},-a+1=({\pm }a)^{2},a-1=(\pm (a+1))^{2}}$ и ${\displaystyle -1=(\pm (a-1))^{2}}$. Матрица Якобсталя равна

${\displaystyle Q={\begin{bmatrix}0&1&1&-1&-1&1&-1&1&-1\\1&0&1&1&-1&-1&-1&-1&1\\1&1&0&-1&1&-1&1&-1&-1\\-1&1&-1&0&1&1&-1&-1&1\\-1&-1&1&1&0&1&1&-1&-1\\1&-1&-1&1&1&0&-1&1&-1\\-1&-1&1&-1&1&-1&0&1&1\\1&-1&-1&-1&-1&1&1&0&1\\-1&1&-1&1&-1&-1&1&1&0\end{bmatrix}}.}$

Это симметричная матрица состоящая из ${\displaystyle 3\times 3}$ циркулярных блоков. Построение Палея II даёт симметричную ${\displaystyle 20\times 20}$ матрицу Адамара,

1- 111111 111111 111111
-- 1-1-1- 1-1-1- 1-1-1-

11 1-1111 ----11 --11--
1- --1-1- -1-11- -11--1
11 111-11 11---- ----11
1- 1---1- 1--1-1 -1-11-
11 11111- --11-- 11----
1- 1-1--- -11--1 1--1-1

11 --11-- 1-1111 ----11
1- -11--1 --1-1- -1-11-
11 ----11 111-11 11----
1- -1-11- 1---1- 1--1-1
11 11---- 11111- --11--
1- 1--1-1 1-1--- -11--1

11 ----11 --11-- 1-1111
1- -1-11- -11--1 --1-1-
11 11---- ----11 111-11
1- 1--1-1 -1-11- 1---1-
11 --11-- 11---- 11111-
1- -11--1 1--1-1 1-1---.

Гипотеза Адамара

Размер матрицы Адамара должен быть равен 1, 2 или кратным 4. Произведение Кронекера двух матриц Адамара размеров m и n будет матрицей Адамара размера mn. При образовании произведения Кронекера матриц из построения Палея и ${\displaystyle 2\times 2}$ матрицы,

${\displaystyle H_{2}={\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}},}$

получаются матрицы Адамара любого допустимого размера вплоть до 100, за исключением 92. В своей статье 1933 год Палей говорит: «Вполне вероятно, что в случае, когда m делится на 4, можно построить ортогональную матрицу порядка m, состоящую из ${\displaystyle {\pm }1}$, но общая теорема имеет ряд трудностей.» Это, по-видимому, первая публикация утверждения гипотезы Адамара. Матрицу размера 92, в конце концов, построили Баумерт, Голомб и Холл с помощью построения Вильямсона, совмещённого с компьютерным поиском. В настоящее время показано, что матрицы Адамара существуют для всех ${\displaystyle m\,\equiv \,0\mod 4}$ для ${\displaystyle m<668}$.

См. также

• Биплоскость Палея
• Граф Пэли

Примечания

Литература

• Paley R.E.A.C. On orthogonal matrices // Journal of Mathematics and Physics. — 1933. — Т. 12. — С. 311–320.
• Baumert L. D., Golomb S. W., Hall M. Jr. Discovery of an Hadamard matrix of order 92 // Bull. Amer. Math. Soc.. — 1962. — Т. 68, вып. 3. — С. 237–238. — doi:10.1090/S0002-9904-1962-10761-7.
• MacWilliams F.J., Sloane N.J.A. The Theory of Error-Correcting Codes. — 1977. — С. 47, 56. — ISBN 0-444-85193-3.