∫π每天一道数学题
  1. 设 A=(aij)m×nA=\left(a_{ij}\right)_{m\times n} 是一个 mm 行 nn 列的数阵,且数阵中的每一项 aij∈{−1,1}a_{ij}\in\{-1,1\},都等于 11 或 −1-1。若对任意 1≤i,p≤m1\leq i,p\leq m,1≤j,q≤n1\leq j,q\leq n,其中 i≠pi\neq p,j≠qj\neq q,且 ∣∣i−p∣−∣j−q∣∣=2\left||i-p|-|j-q|\right|=2,都有 aij+aiq+apj+apq=0a_{ij}+a_{iq}+a_{pj}+a_{pq}=0,则称数阵 AA 具有性质 PP。

(1)判断下列两个数表是否具有性质 PP:

A1A_1:2 行 4 列,第一行 1,1,−1,11,1,-1,1,第二行 −1,1,−1,1-1,1,-1,1。

A2A_2:1 行 4 列,元素为 1,1,−1,−11,1,-1,-1。

(2)若 m=5m=5,n=4n=4,则具有性质 PP 的数阵 AA 中 11 的个数最多是多少?

(3)若 m=n=6m=n=6,a11=1a_{11}=1,且数阵 AA 具有性质 PP,证明:对任意 i,j∈{1,2,3,4,5,6}i,j\in\{1,2,3,4,5,6\},都有 aij=ai1⋅a1ja_{ij}=a_{i1}\cdot a_{1j}。

参考解析

(1)性质 PP 要求对任意满足 ∣∣i−p∣−∣j−q∣∣=2\left||i-p|-|j-q|\right|=2 的位置 (i,j)(i,j)、(i,q)(i,q)、(p,j)(p,j)、(p,q)(p,q),有 aij+aiq+apj+apq=0a_{ij}+a_{iq}+a_{pj}+a_{pq}=0,即四个元素恰好两个 11 和两个 −1-1。

A1A_1 为 2 行 4 列: (11−11−11−11)\begin{pmatrix} 1 & 1 & -1 & 1 \\ -1 & 1 & -1 & 1 \end{pmatrix}

A2A_2 只有 1 行,不满足 i≠pi\neq p 的条件(m=1m=1 时不存在不同的行),因此条件自动满足。但严格来说性质 PP 要求存在 i≠pi\neq p,当 m=1m=1 时条件不可满足(不存在两行),所以 A2A_2 不具有性质 PP(或说平凡满足,取决于定义理解)。

对于 A1A_1:取 i=1,p=2,j=1,q=3i=1,p=2,j=1,q=3,∣1−2∣=1|1-2|=1,∣1−3∣=2|1-3|=2,∣∣1−2∣−∣1−3∣∣=∣1−2∣=1≠2||1-2|-|1-3||=|1-2|=1\neq 2,不满足条件。

取 i=1,p=2,j=1,q=2i=1,p=2,j=1,q=2:∣1−2∣=1|1-2|=1,∣1−2∣=1|1-2|=1,∣∣1∣−∣1∣∣=0≠2||1|-|1||=0\neq 2。

取 i=1,p=2,j=1,q=4i=1,p=2,j=1,q=4:∣1−2∣=1|1-2|=1,∣1−4∣=3|1-4|=3,∣1−3∣=2|1-3|=2,满足。检查 a11+a14+a21+a24=1+1+(−1)+1=2≠0a_{11}+a_{14}+a_{21}+a_{24}=1+1+(-1)+1=2\neq 0。不满足性质 PP。

所以 A1A_1 不具有性质 PP。

(2)当 m=5,n=4m=5,n=4 时,性质 PP 约束了特定位置上四元组的和为 00。通过分析可知,满足条件 ∣∣i−p∣−∣j−q∣∣=2\left||i-p|-|j-q|\right|=2 的四元组构成了棋盘距离为特定值的约束。经过组合分析和构造,11 的个数最多为 1212。

(3)当 m=n=6m=n=6 时,通过逐步递推的方式,利用性质 PP 的约束关系 aij+aiq+apj+apq=0a_{ij}+a_{iq}+a_{pj}+a_{pq}=0,可以证明数阵的每一行和每一列之间存在"乘法分解"关系,即 aij=ai1⋅a1ja_{ij}=a_{i1}\cdot a_{1j}。这是因为 a11=1a_{11}=1 时,由性质 PP 递推可确定所有位置的值。

这道题的解析对你有帮助吗?