二元矢量的在所有主要权力的在?


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我有一组二进制矢量和目标矢量其是全矢量。Ñ n小号= { s ^ 1,... ,s ^ Ñ } ⊆ { 0 ,1 } ķ ∖ { 1 ķ } 小号= { s1个,… ,sñ} ⊆ { 0 ,1 }ķ∖ { 1ķ}吨= 1 ķt = 1ķ

猜想:如果可以写成的元素的线性组合超过的所有素数方幂,然后可以写成的线性组合超过,即存在具有整数系数的线性组合,其总和以以上。t ŤS 小号Z / q ZZ / qž q q吨Ť小号小号žž吨Ťžž

这是真的?任何人看起来都很熟悉吗?我什至不知道在搜索有关此主题的文献时要使用什么关键字,因此请多加投入。

观察到相反的一定成立:如果为整数A_I,然后评估相同的总和模q为任何模数q仍然给平等; 因此,具有整数系数的线性组合意味着存在所有模量的线性组合。吨= Σ Ñ 我= 1个 α 我小号我t = ∑ñ我= 1α一世s一世一个我一种一世 q qqq

编辑14-12-2017:最初的猜想更强,只要t是所有素数q的线性组合mod q,就断言\ mathbb {Z}上存在线性组合。这在我的算法应用程序中更容易利用,但事实证明是错误的。这是一个反例。s_1,\ ldots,s_n由该矩阵的行给出:žZŤtqqqqs 1,… ,s ns1,…,sn

(1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1)⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜100001010001001001111010111100111111⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

Mathematica验证了对于前1000个素数,向量处于这些向量mod的范围内,我有足够的证据证明所有素数都是这种情况。但是,在没有整数线性组合:上面的矩阵在上具有完整等级,并且具有将写入线性组合的独特方式的超过,使用系数。(您不能将写为这些向量mod的线性组合吨= (1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 )q Ž - [R (1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 )(š 1,... ,s ^ 6)- [R (1 / 2 ,1 / 2 ,1 / 2 ,− 1 / 2 ,− 1t=(1,1,1,1,1,1)qZR(1,1,1,1,1,1)(s1个,… ,s6)[R/ 2 ,1 / 2 )吨4(1 / 2 ,1 / 2 ,1 / 2 ,- 1 / 2 ,- 1 / 2 ,1 / 2 )Ť4,但是,它并不与猜想的更新形式相矛盾。)


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以下一个较弱的性质通过一个简单的紧实性参数成立:当且仅当它是上除有限个数素数所有素数的线性组合时,才是元素的有理线性组合。当和具有整数系数,而不仅是。吨小号ģ ˚F p p 小号吨0 ,1Ť小号摹˚Fpp小号Ť0 ,1
— EmilJeřábek'17

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另一部分结果(再次,对于任意的整数):是线性的组合的整数当且仅当它是在每个环的线性组合为素数的权力。S ,t t S Z / q Z q小号,ŤŤ小号ž/ qž q
— EmilJeřábek'17

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@BartJansen实际上,我知道两种不同的方式,但都不太适合发表评论。我稍后会发布答案。
— EmilJeřábek'17

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@JoshuaGrochow我不关注。如果您只需要“相当大”,就可以做一个相当大的素数。或固定素数的相当大的力量。这些都不意味着存在整数解。
— EmilJeřábek'17

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您的示例系统的行列式为-4,这意味着所有奇数素数都有一个解决方案。
— Kristoffer Arnsfelt Hansen

Answers:


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即使在对和宽松约束下,修改后的猜想也是正确的-它们可以是任意整数向量(只要集合是有限的)。请注意,如果我们将的向量排列到矩阵中,则该问题仅询问线性系统 的整数可解性 ,因此,我将用以下公式表示问题。S t S S S x = t小号Ť小号小号

小号X = 吨

命题:令和。然后,线性系统是可解在当且仅当它是在可解对于所有素权力。小号∈ ž ķ × Ñ吨∈ Ž ķ小号X = 吨ž ž / q ž q小号∈ žk × nŤ ∈ žķ小号X = 吨žZ / qžq

这可以通过至少两种方式证明。

证明1:

对于任何素数,该系统对每个模的可解性意味着它在整数的环中是可解的。(存在一个较小的问题,因为解决方案不是唯一的,因此给定的解决方案mod和mod不需要兼容。可以使用的紧凑性或使用柯尼希的引理。)p p 米p Ž p p 米p 米' ž ppp米p žpp米p米′žp

因此,该系统也可解决乘积 即,有限整数环。我声称这暗示了它在可解性。ž =Πp 素žp,ž

ž^= ∏p  素数žp,
ž

请注意,系统的可解性(即)可以用阿贝尔群的语言表示为(原始正)一阶句子,并加一个常数以便我们可以定义。现在,可以检查结构的完整一阶理论是否可以按如下方式公理化(它是Presburger算术的无序版本,或者更确切地说,是理论的无序版本)。组):∃ XS x = t 1 t (Z,+ ,1 )Z∃ X小号X = 吨1个Ť(Z,+ ,1 )ž

  1. 无扭转阿贝尔群论,

  2. 每个素数的公理,∀ Xp x ≠ 1 p∀ Xp x ≠ 1p

  3. 每个素数的公理。∀ X∃ ÿ(X = p Ŷ ∨ X = p ý + 1 ∨ ⋯ ∨ X = p Ý + (p - 1 ))p∀ X∃ ÿ(x = p y∨ X = p ÿ+1∨⋯∨x=py+(p−1))p

但是,所有这些公理也都保存在中。因此,结构和基本相等,并且在的可溶性意味着其在。Ž(ž,+,1)( Ž,+,1)小号X=吨 ž žZ^(Z,+,1)(Z^,+,1)Sx=tZ^Z

实际上,我们实际上并不需要上面的的完全公理化:足以观察到满足公理2,这意味着是一个公理。纯亚组的因此一个纯 -submodule。(ž,+ ,1 )Ž Ž Ž ž(Z,+,1)Z^ZZ^Z

证明2:

存在矩阵和,使得矩阵为史密斯正规形式。把。如果是的解,则是,反之,如果是,则是的解。(此等价适用于任何交换环,因为是整数矩阵。)中号∈ ģ 大号(ķ ,Ž)Ñ ∈ ģ 大号(Ñ ,Ž)小号' = 中号小号Ñ 吨' = 中号吨X 小号X = 吨X ' = ñ - 1 X 小号' X ' = 吨' X ' 小号' X ' = 吨' X = ñ XM∈GL(k,Z)N∈GL(n,Z)S′=MSNt′=MtxSx=tx′=N−1xS′x′=t′x′S′x′=t′' S x = t M ,M - 1,N ,N - 1x=Nx′Sx=tM,M−1,N,N−1

因此,我们可以不失一般性地假设是对角矩阵(意味着,如果,则多余的行或列为零)。那么只有在以下情况下,系统在不可解:S k ≠ n S x = t ZSk≠nSx=t

  1. 对于一些非零对角项的,中的相应条目的不整除或š 我我 š 吨我吨š 我我

  2. 对于一些的的第i行是零,但。我我š 吨我 ≠ 0

令为质数,使得,在第一种情况下为。那么系统在不可解。q q ∤ 吨我 q | 小号我我小号X = 吨ž / q ž


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感谢Emil为您的解决方案#1教给我一些新颖有趣的东西!
— Kristoffer Arnsfelt Hansen

同上。同样,有趣的是,第二种解决方案表明,仅考虑划分的基本除数的质数(在情况(1)中处理所有)以及一个足够大的数(以处理情况(2))。小号小号我我
— 约书亚·格罗肖

非常感谢您这个非常有见地的答案!如果这能在论文中找到,我一定会感谢您的见解。
— 巴特·詹森
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