Incident Algebra与反演

Incidence algebra

定义

局部有限偏序集(locally finite poset)是一种特殊的偏序集,其满足对于所有的闭区间\([a,b]\)是有限的。

偏序关系的性质:

  • 自反性:\(\forall a\in S:a\le a\)
  • 反对称性:\(\forall a,b\in S: a\le b \wedge b\le a \rightarrow a=b\)
  • 传递性:\(\forall a,b,c\in S: a\le b \wedge b\le c \rightarrow a\le c\)

偏序集上的区间:

  • \([a,b]=\{x|a\le x \wedge x\le b\}\)
  • \([a,b)=\{x|a\le x\wedge x\le b\wedge b\neq x\}\)
  • \((a,b]=\{x|x\neq a\wedge a\le x\wedge x\le b\}\)
  • \((a,b)=\{x|x\neq a\wedge a\le x \wedge x\le b\wedge b\neq x\}\)

Incident algebra中的元素\(f\)是一个局部有限偏序集\(S\)上的的非空区间\([a,b]\)到一个标量(实际上幺环就足够了)\(f(a,b)\)的函数。定义其构成的集合为\(X\),其上的运算定义如下:

\[ (f*g)(a,b)=\sum_{x\in [a,b]} f(a,x)g(x,b) \]

有时我们也会在上面额外定义一个加法运算\((f+g)(a,b)=f(a,b)+g(a,b)\),这将使得其满足一些有趣的性质。

性质

结合律

\[ \begin{aligned} ((f*g)*h)(a,b)&=\sum_{x\in[a,b]} (f*g)(a,x)h(x,b) & 定义\\ &=\sum_{x\in [a,b]}\left(\sum_{y\in [a,x]} f(a,y)g(y,x)\right)h(x,b) & 定义 \\ &=\sum_{x\in [a,b]}\sum_{y\in[a,x]} f(a,y)g(y,x)h(x,b) & 分配律\\ &=\sum_{y\in [a,b]}\sum_{x\in[y,b]} f(a,y)g(y,x)h(x,b) & 交换求和序\\ &=\sum_{y\in[a,b]}f(a,y)\sum_{x\in[y,b]}g(y,x)h(x,b) & 分配律\\ &=\sum_{y\in[a,b]}f(a,y)(g*h)(y,b) & 定义\\ &=(f*(g*h))(a,b) & 定义 \end{aligned} \]

单位元

定义函数\(\delta\)

\[ \delta (a,b) =[a=b]= \begin{cases} 1 & a=b\\ 0 & otherwise \end{cases} \]

任意\(f\in X\),有:

\[ \begin{aligned} (f*\delta)(a,b)&=\sum_{x\in [a,b]} f(a,x)\delta(x,b)\\ &=\sum_{x\in [a,b]} f(a,x)[x=b]\\ &=f(a,b) \\ (\delta*f)(a,b)&=\sum_{x\in[a,b]}\delta(a,x)f(x,b)\\ &=\sum_{x\in[a,b]}[a=x]f(x,b) \\ &=f(a,b) \end{aligned} \]

\(<X,*>\)构成幺半群(Monoid), \(\delta\) 是其单位元,根据幺半群的性质可知它是唯一的单位元。

分配律

\[ \begin{aligned} (f*(g+h))(a,b)&=\sum_{x\in [a,b]} f(a,x)(g+h)(x,b) & 定义\\ &=\sum_{x\in[a,b]}f(a,x)[g(x,b)+h(x,b)]\\ &=\sum_{x\in[a,b]}f(a,x)g(x,b)+f(a,x)h(x,b) \\ &=\sum_{x\in[a,b]}f(a,x)g(x,b)+\sum_{x\in [a,b]}f(a,x)h(x,b) \\ &=(f*g)(a,b)+(f*h)(a,b)\\ &=(f*g+f*h)(a,b) \end{aligned} \]

\((f+g)*h=f*h+g*h\)类似

对于\(f\in X \wedge \forall a\in S:f(a,a)\neq 0\),我们可以构造:

\[ g(a,b)= \begin{cases} \frac 1 {f(a,b)} & a=b\\ \frac {-\sum_{x\in (a,b]} f(a,x)g(x,b)} {f(a,a)} & a \neq b\\ \end{cases} \]

因为\((a,b]=[a,b]-\{a\}\),且\([a,b]\)是有限的,故上述定义是良构的。

那么我们有:

\[ \begin{aligned} (f*g)(a,b)=\sum_{x\in[a,b]}f(a,x)g(x,b)&=\begin{cases} f(a,b)g(a,b)=f(a,b)\frac 1 {f(a,b)}=1 & a=b\\ f(a,a)g(a,b)+\sum_{x\in(a,b]} f(a,x)g(x,b)=0 & a\neq b \end{cases} \\ &=\delta(a,b) \end{aligned} \]

另外,\(g(a,a)=\frac 1 {f(a,a)}\neq 0\),也满足上述条件

对称地,我们可以构造其另一个方向的逆:

\[ g'(a,b)= \begin{cases} \frac 1 {f(a,b)} & a=b\\ \frac {-\sum_{x\in [a,b)} g'(a,x)f(x,b)} {f(b,b)} & a \neq b\\ \end{cases} \]

满足\((g'*f)=\delta\)

故可知\(\forall a\in S:f(a,a)\neq 0\)\(f\)可逆的充分条件。

因为\(1=\delta(a,a)=f(a,a)f^{-1}(a,a)\),故其亦是可逆的必要条件(\(\forall x\in\mathbb R:0\times x=0\),以此反证)

因此,\(f\)可逆的充要条件是\(\forall a\in S:f(a,a)\neq 0\)

我们可以构造Incident algebra元素的一个子集 \(\hat X=\left\{f|f\in X\wedge \forall a\in S:f(a,a)\neq 0\right\}\), 那么对于代数结构\(<\hat X,*>\),有:

  • 封闭性(两非\(0\)数积非\(0\))

\[ (f*g)(a,a)=f(a,a)g(a,a)\neq0 \]

  • 结合律(同\(<X,*>\))
  • 有单位元\(\delta\in\hat X\)
  • 有逆(上述已证)

故可知\(<\hat X,*>\)构成群

亦可知 (左右逆元一致,简证如下)

\[ g=\delta*g=(g'*f)*g=g'*f*g=g'*(f*g)=g'*\delta=g' \]

与一般函数之间的关系

若定义\(F,G:S\to \mathbb R,f\in \hat X,a,b\in S\),且二者满足下列关系:

\[ F(x)=\sum_{k\in [a,x]} G(k)f(k,x) \]

则有:

\[ \begin{aligned} \sum_{k\in [a,x]} F(k)f^{-1}(k,x) &= \sum_{k\in[a,x]} \left[\sum_{t\in [a,k]} G(t)f(t,k)\right] f^{-1}(k,x) & 定义\\ &=\sum_{k\in [a,x]}\sum_{t\in [a,k]} G(t)f(t,k)f^{-1}(k,x) & 分配律\\ &=\sum_{t\in [a,x]} \sum_{k\in [t,x]} G(t)f(t,k)f^{-1}(k,x) & 交换求和序\\ &=\sum_{t\in [a,x]} G(t) \sum_{k\in [t,x]} f(t,k)f^{-1}(k,x) & 分配律\\ &=\sum_{t\in [a,x]} G(t) \delta(t,x) & 定义\\ &=\sum_{t\in [a,x]} G(t) [t=x] = G(x) \end{aligned} \]

本质上,它是\(F(x)=F'(a,x)\)的一种等价。

对称地,也可以构造:

\[ F(x)=\sum_{k\in[x,b]} f(x,k)G(k)\\ G(x)=\sum_{k\in[x,b]}f^{-1}(x,k)F(k) \]

故我们可以在其上构造一个群作用。

偏序集与\(\zeta\)函数

定义

定义\(\zeta\in X\)为:

\[ \zeta(a,b)=[a\le b]=\begin{cases} 1 & a\le b \\ 0 & otherwise \end{cases} \]

因为在\(X\)定义时便要求\([a,b]\)构成非空区间, 而\(\exists x\in S:a\le x \wedge x\le b \Leftrightarrow a\le b\)。 因此其也可以看作\(\zeta(a,b)=1\)

因为\(\forall a\in S:\zeta(a,a)=1\),所以\(\zeta\in \hat X\)

故可令\(\mu=\zeta^{-1}\),则有:

\[ \mu (a,b)=\begin{cases} 1 & a=b\\ -\sum_{x\in(a,b]} \mu(x,b) = -\sum_{x\in [a,b)} \mu(a,x) & a\lt b\\ 0 & otherwise \end{cases} \]

\(S_1,S_2\)为两偏序集,定义\(S_1\times S_2\)上的偏序关系:

\[ <a_1,b_1>\le <a_2,b_2>\Leftrightarrow a_1\le a_2 \wedge b_1\le b_2 \]

因此,我们可以定义\(S_1\times S_2\)也是一个偏序集,进一步,有限个偏序集的直积也是一个偏序集。

性质

区间\([a,b]\)中元素的个数可以表示为:

\[ \zeta^2(a,b)=\sum_{x\in[a,b]}\zeta(a,x)\zeta(x,b)=\sum_{x\in[a,b]}1=Card([a,b]) \]

设局部有限偏序集\(S_1,S_2\),有\(S=S_1\times S_2\)。若\(\zeta_1,\zeta_2,\zeta\)分别为\(S_1,S_2,S\)上的\(\zeta\)函数,\(\mu_1,\mu_2,\mu\)分别为\(S_1,S_2,S\)上的\(\mu\)函数,\(\delta_1,\delta_2,\delta\)分别为\(S_1,S_2,S\)上的\(\delta\)函数。

\(\forall a,b\in S\wedge a\le b\),令\(a=<a_1,a_2>,b=<b_1,b_2>\),易得:

\[ \begin{aligned} \delta(a,b)&=[a=b] \\ &=[a_1=b_1\wedge a_2=b_2]\\ &=[a_1=b_1][a_2=b_2]\\ &=\delta_1(a_1,b_1)\delta_2(a_2,b_2)\\ \\ \zeta(a,b)&=[a\le b] \\ &=[a_1\le b_1 \wedge a_2\le b_2] \\ &=[a_1\le b_1][a_2\le b_2]\\ &=\zeta_1(a_1,b_1)\zeta_2(a_2,b_2)\\ \end{aligned} \]

进一步地,构造\(\mu'(a,b)=\mu_1(a_1,b_1)\mu_2(a_2,b_2)\),则有:

\[ \begin{aligned} (\mu'*\zeta)(a,b) &= \sum_{x\in [a,b]} \mu'(a,x)\zeta(x,b) & 定义\\ &=\sum_{x_1\in [a_1,b_1] \wedge x_2\in [a_2,b_2]} \mu_1(a_1,x_1)\mu_2(a_2,x_2)\zeta_1(x_1,b_1)\zeta_2(x_2,b_2)& 展开 \\ &=\sum_{x_1\in [a_1,b_1]}\sum_{x_2\in [a_2,b_2]} \mu_1(a_1,x_1)\zeta_1(x_1,b_1) \mu_2(a_2,x_2)\zeta_2(x_2,b_2) & 拆开x_1,x_2的求和\\ &=\sum_{x_1\in [a_1,b_1]}\mu_1(a_1,x_1)\zeta_1(x_1,b_1) \sum_{x_2\in [a_2,b_2]} \mu_2(a_2,x_2)\zeta_2(x_2,b_2) & 分配律\\ &= (u_1*\zeta_1)(a_1,b_1) (u_1*\zeta_2)(a_2,b_2) \\ &= \delta_1(a_1,b_1)\delta_2(a_2,b_2)\\ &=\delta(a,b) \end{aligned} \]

\(\mu'=\zeta^{-1}=\mu\),即:\(\mu(a,b)=\mu_1(a_1,b_1)\mu_2(a_2,b_2)\)

反演

二项式反演

\(n\)次多项式\(p_n(x)=x^n,q_n(x)=(x-1)^n\),则有:

\[ \begin{aligned} q_n(x)&=\sum_{k=0}^n \binom n k (-1)^{n-k} x^k \\ &= \sum_{k=0}^n \binom n k (-1)^{n-k} q_k(x) \\ \\ p_n(x) &= ((x-1)+1)^n\\ &= \sum_{k=0}^n \binom n k (x-1)^k \\ &= \sum_{k=0}^n \binom n k q_k(x) \end{aligned} \]

可以定义\((n+1)\times (n+1)\)方阵\(A,B\)(下标从0开始):

\[ \begin{aligned} A_{i,j}&= \binom j i (-1)^{b-a} \\ B_{i,j}&= \binom j i \\ \end{aligned} \]

可知:

  • \(A,B\)均为单位上三角矩阵
  • 构造\(p,q\)的系数向量可知:\(AB=BA=I\),即\(A,B\)互为逆矩阵。

\(f(a,b)=A_{a,b},g(a,b)=B_{a,b}\)。由于\(A,B\)均为单位上三角矩阵, 故\(f,g\)可以被看作以\([0,n]\)整数区间,小于等于作为偏序关系的Incident algebra中的元素。 其可以和\((n+1)\times (n+1)\)矩阵上乘法同构。

\[ \begin{aligned} (f*g)(a,b)&=\sum_{x\in [a,b]} f(a,x)g(x,b) \\ &=\underbrace{\sum_{x\in [0,a)} f(a,x)g(x,b)}_{f(a,x)=0} +\sum_{x\in [a,b]} f(a,x)g(x,b) +\underbrace{\sum_{x\in (b,n]} f(a,x)g(x,b)}_{g(x,b)=0}\\ &=\sum_{x\in [0,n]} f(a,x)g(x,b) \\ &=(AB)_{a,b}=I_{a,b}\\ &=[a=b]=\delta(a,b) \end{aligned} \]

所以\(f,g\)互逆。

按照Incident algebra与一般函数之间的关系,对\([0,n]\)上一整数\(a\),下两式定义等价:

\[ \begin{aligned} F(x)&=\sum_{k\in [a,x]}G(k)g(k,x)=\sum_{k\in[a,x]} \binom x k G(k) \\ G(x)&=\sum_{k\in[a,x]} F(k)f(k,x)=\sum_{k\in[a,x]}(-1)^{x-k} \binom x k F(k) \\ \end{aligned} \]

特别地,对于\(a=0\),我们有:

\[ \begin{aligned} F(x)&=\sum_{k\in [0,x]}G(k)g(k,x)=\sum_{k\in[0,x]} \binom x k G(k) \\ G(x)&=\sum_{k\in[0,x]} F(k)f(k,x)=\sum_{k\in[0,x]}(-1)^{x-k} \binom x k F(k) \\ \end{aligned} \]

一般,我们将此称作二项式反演公式。

莫比乌斯反演

将正整数集\(\mathbb N^+\)上的整除作为偏序关系。我们可以得到另一个Incident algebra实例。

其中:

\[ \begin{aligned} \zeta(a,b)&=\begin{cases} 1 & a | b \\ 0 & otherwise\\ \end{cases} \\ \\ \mu(a,b)&=\begin{cases} 1 & a=b \\ -\sum_{a\mid x \wedge a\neq x \wedge x\mid b} \mu(x,b) & a\mid b \wedge a\neq b \\ 0 & otherwise \end{cases} \end{aligned} \]

另外,通过数学归纳,注意到:

\[ \begin{aligned} \mu(ka,kb) &= \begin{cases} 1 & ka = kb &\Leftrightarrow a=b \\ -\sum_{ka\mid kx \wedge ka\neq kx \wedge kx\mid kb} \mu(kx,kb) & ka \mid kb \wedge ka\neq kb & \Leftrightarrow a \mid b\wedge a\neq b \\ 0 & otherwise \end{cases} \\ &= \mu(a,b) \end{aligned} \]

而且,当\(a \mid b\)时,\(\mu(a,b)\)有意义(或者说可能不为\(0\))。 故我们可以构造函数\(\mu'(\frac b a) = \mu(1,\frac b a)=\mu(a,b)\),即可简化计算。 那么,我们有:

\[ \mu'(p)=\begin{cases} 1 & p=1 \\ -\sum_{x\neq 1 \wedge x\mid p} \mu'(\frac p x) & otherwise \end{cases} \]

这个函数又被称作经典莫比乌斯函数。

按照Incident algebra与一般函数之间的关系,取下限\(a=1\)(故任取\(k\)均与\(a\)整除),我们有下述两等价定义:

\[ \begin{aligned} F(x) &= \sum_{k\mid x} G(k) \\ G(x) &= \sum_{k\mid x} F(k) \mu(k,x) = \sum_{k\mid x} F(k) \mu'(\frac x k) \end{aligned} \]

其中称下式为上式的莫比乌斯反演公式。