home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / math / 18788 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-27  |  3.4 KB

  1. Path: sparky!uunet!portal!lll-winken!uwm.edu!spool.mu.edu!hri.com!noc.near.net!nic.umass.edu!umassd.edu!ipgate.umassd.edu!martin
  2. From: martin@lyra.cis.umassd.edu (Gary Martin)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: Matrices (problem)
  5. Message-ID: <MARTIN.93Jan26102204@lyra.cis.umassd.edu>
  6. Date: 26 Jan 93 15:22:04 GMT
  7. References: <Jan.24.22.14.31.1993.13572@inferno.rutgers.edu>
  8. Sender: usenet@umassd.edu (USENET News System)
  9. Organization: University of Massachusetts Dartmouth
  10. Lines: 65
  11. In-Reply-To: gore@inferno.rutgers.edu's message of 25 Jan 93 03:14:32 GMT
  12.  
  13. In article <Jan.24.22.14.31.1993.13572@inferno.rutgers.edu> gore@inferno.rutgers.edu (Bittu) writes:
  14.  
  15.    A simple question about the rank of a special matrix (this is not a
  16.    homework problem; I already know a solution, want something better).
  17.    In fact, this was probably on the Math Olympiad a few years ago.
  18.  
  19.    Let A be a matrix with the following properties:
  20.  
  21.    1. A is 2n+1 x 2n+1 for a positive integer n.
  22.  
  23.    2. A has 0's on the diagonal.
  24.  
  25.    3. The remaining entries are either 1's or -1's.
  26.  
  27.    4. Every row has exactly n 1's and n -1's.
  28.  
  29.    We want to show that the rank of this matrix is 2n (over complex
  30.    numbers, say). Clearly the rank is <= 2n (all columns sum to the zero
  31.    vector). 
  32.  
  33.    Let I_m be the m x m identity matrix and J_m be the all 1's matrix.
  34.    The solution I know involves showing that the matrix J_m - I_m has
  35.    rank m if m is even and m-1 if m is odd (over GF[2]; done by showing
  36.    that its determinant is (-1)^(m-1) . (m-1)). We are only interested
  37.    in the case where m is odd. We now use the well-known result that if
  38.    the rank is m-1 over GF[2], it is m-1 over rationals, reals, complexes
  39.    etc. Note that J_{2n+1} - I_{2n+1} is the same as A over GF[2].
  40.  
  41.    I am sure there is a much easier and elegant proof of this (for the
  42.    field of complexes). Any takers?
  43.  
  44. This is a generalization of a Putnam problem from the 70s:
  45. Let  S  be a multiset containing an odd number of integers with the
  46. property that no matter which element is deleted, the rest can
  47. be partitioned into two pieces having equal sum.  Then all the elements
  48. of  S  are equal.
  49.  
  50. I had a paper on this in the Monthly back around '86 or '87 (can't
  51. find that issue right now).  
  52.  
  53. Forget for a moment that the elements of S are integers.  Note that
  54. hypothesis and conclusion are invariant under translation and dilation.
  55. Translate so one element is zero.  Note that the elements of  S (if integers)
  56. are congruent mod 2.  Divide by 2.  Repeat.  Since the elements were
  57. integers infinitely divisible by 2, they are 0, so the original ones were
  58. equal.
  59.  
  60. The extension to Q is easy: just clear denominators.  R  and  C  follow
  61. from the simple observation that if a S is a set of vectors satisfying
  62. the hypothesis, then the projections on any 1-dim subspace do too.
  63.  
  64. If the elements of  S  come from an abelian group  G, then the problem
  65. generalizes to G iff G has no odd torsion.
  66.  
  67. I also generalized in a different direction:  if  S  has  km+1 elements
  68. such that whichever element is omitted the rest can be partitioned into
  69. k classes of size m with equal sums, then the elements of  S  are equal.
  70. My memory of the exact result is now foggy, but it was something like:
  71. the statement is true iff the elements of S come from an abelian group
  72. whose only torsion is p-torsion where p is a prime dividing m.  This
  73. doesn't sound quite right, but that's the flavor.
  74.  
  75. --
  76. Gary A. Martin, Assistant Professor of Mathematics, UMass Dartmouth
  77. Martin@cis.umassd.edu
  78.