已知nn行nn列(n⩾2)\left(n\geqslant 2\right)的数表A=(a11a12⋅⋅⋅a1na21a22⋅⋅⋅a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋅⋅⋅ann)A=\left(\begin{matrix}{{a}_{11}}&{{a}_{12}}&\cdot\cdot\cdot&{{a}_{1n}}\\ {{a}_{21}}&{{a}_{22}}&\cdot\cdot\cdot&{{a}_{2n}}\\ \vdots &\vdots&\ddots&\vdots\\ {{a}_{n1}}&{{a}_{n2}}&\cdot\cdot\cdot&{{a}_{nn}}\\\end{matrix}\right)中,对任意的i∈{1,2,⋅⋅⋅,n}i\in\left\{ 1,2,\cdot\cdot\cdot,n\right\},j∈{1,2,⋅⋅⋅,n}j\in\left\{ 1,2,\cdot\cdot\cdot,n\right\},都有aij∈{0,1}.{{a}_{ij}}\in\left\{ 0,1\right\}.若当ast=0{{a}_{st}}=0时,总有∑i=1nait+∑j=1nasj⩾n\sum\limits_{i=1}^{n}{{{a}_{it}}}+\sum\limits_{j=1}^{n}{{{a}_{sj}}}\geqslant n,则称数表AA为典型表,此时记Sn=∑i=1n∑j=1naij.(1){{S}_{n}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{\sum\limits_{j=1}^{n}{{{a}_{ij}}}}.(1)若数表B=(001100110)B=\left(\begin{matrix}0&0&1\\ 1&0&0\\ 1&1&0\\\end{matrix}\right),C=(1100110000110011)C=\left(\begin{matrix}1&1&0&0\\ 1&1&0&0\\ 0&0&1&1\\ 0&0&1&1\\\end{matrix}\right),请直接写出BB,CC是否是典型表; (2)当n=6n=6时,是否存在典型表AA使得S6=17{{S}_{6}}=17,若存在,请写出一个AA;若不存在,请说明理由; (3)求Sn{{S}_{n}}的最小值.

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完整解法

(1)

1. 检验数表 B 是否符合典型表定义

对于 n=3n=3 的数表 B=(001100110)B=\begin{pmatrix}0&0&1\\ 1&0&0\\ 1&1&0\end{pmatrix},注意其第 1 行第 2 列元素 a12=0a_{12} = 0。
第 1 行元素之和 R1=0+0+1=1R_1 = 0 + 0 + 1 = 1,第 2 列元素之和 C2=0+0+1=1C_2 = 0 + 0 + 1 = 1。
由于 R1+C2=1+1=2<3R_1 + C_2 = 1 + 1 = 2 < 3,不满足 ∑i=13ai2+∑j=13a1j≥3\sum_{i=1}^3 a_{i2} + \sum_{j=1}^3 a_{1j} \ge 3,故数表 BB 不是典型表。

2. 检验数表 C 是否符合典型表定义

对于 n=4n=4 的数表 C=(1100110000110011)C=\begin{pmatrix}1&1&0&0\\ 1&1&0&0\\ 0&0&1&1\\ 0&0&1&1\end{pmatrix},其所有为 0 的元素 ast=0a_{st} = 0 位于右上和左下区域。
对任意 ast=0a_{st} = 0(例如 a13=0a_{13} = 0),第 ss 行元素之和 Rs=2R_s = 2,第 tt 列元素之和 Ct=2C_t = 2。
此时 Rs+Ct=2+2=4≥4R_s + C_t = 2 + 2 = 4 \ge 4。
所有元素为 0 的位置均满足此条件,故数表 CC 是典型表。

答案

BB 不是典型表,CC 是典型表。

(2)

1. 将典型表的定义转化为全局代数不等式

设数表 AA 的第 ii 行元素之和为 Ri=∑j=1naijR_i = \sum_{j=1}^n a_{ij},第 jj 列元素之和为 Cj=∑i=1naijC_j = \sum_{i=1}^n a_{ij},则 ∑i=1nRi=∑j=1nCj=Sn\sum_{i=1}^n R_i = \sum_{j=1}^n C_j = S_n。
由典型表定义,当 aij=0a_{ij} = 0 时,有 Ri+Cj≥nR_i + C_j \ge n,即 n−Ri−Cj≤0n - R_i - C_j \le 0;
当 aij=1a_{ij} = 1 时,1−aij=01 - a_{ij} = 0。
因此,对任意 1≤i,j≤n1 \le i, j \le n,恒有 (1−aij)(n−Ri−Cj)≤0(1 - a_{ij})(n - R_i - C_j) \le 0。

2. 求和并利用柯西不等式推导 S_n 满足的二次不等式

将上述不等式对所有 1≤i,j≤n1 \le i, j \le n 求和得:
∑i=1n∑j=1n(1−aij)(n−Ri−Cj)≤0\sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^n (1 - a_{ij})(n - R_i - C_j) \le 0
展开左边:
n(n2−Sn)−∑i=1nRi(n−Ri)−∑j=1nCj(n−Cj)=n3−3nSn+∑i=1nRi2+∑j=1nCj2≤0\begin{aligned} &n(n^2 - S_n) - \sum_{i=1}^n R_i(n - R_i) - \sum_{j=1}^n C_j(n - C_j) \\ &= n^3 - 3n S_n + \sum_{i=1}^n R_i^2 + \sum_{j=1}^n C_j^2 \le 0 \end{aligned}
由柯西不等式可知 ∑i=1nRi2≥Sn2n\sum_{i=1}^n R_i^2 \ge \dfrac{S_n^2}{n},∑j=1nCj2≥Sn2n\sum_{j=1}^n C_j^2 \ge \dfrac{S_n^2}{n},代入得:
n3−3nSn+2Sn2n≤0  ⟹  2Sn2−3n2Sn+n4≤0n^3 - 3n S_n + \frac{2 S_n^2}{n} \le 0 \implies 2 S_n^2 - 3n^2 S_n + n^4 \le 0

3. 代入 n=6 判断 S_6=17 的可行性

当 n=6n=6 时,代入不等式得:
2S62−108S6+1296≤0  ⟹  (S6−18)(2S6−36)≤0  ⟹  S6≥182 S_6^2 - 108 S_6 + 1296 \le 0 \implies (S_6 - 18)(2 S_6 - 36) \le 0 \implies S_6 \ge 18
因为 17<1817 < 18,产生矛盾。
所以不存在典型表 AA 使得 S6=17S_6 = 17。

答案

不存在。理由:对任意 n=6n=6 的典型表,其元素之和均满足 S6≥18S_6 \ge 18,故不存在 S6=17S_6 = 17 的典型表。

(3)

1. 推导 S_n 的理论下界

由第(2)问的通用推导,对任意典型表 AA,均有:
2Sn2−3n2Sn+n4≤0  ⟹  (2Sn−n2)(Sn−n2)≤02 S_n^2 - 3n^2 S_n + n^4 \le 0 \implies (2 S_n - n^2)(S_n - n^2) \le 0
解得 Sn≥n22S_n \ge \dfrac{n^2}{2}。
由于 SnS_n 必须为整数,故:

  • 当 nn 为偶数时,Sn≥n22S_n \ge \dfrac{n^2}{2};
  • 当 nn 为奇数时,Sn≥⌈n22⌉=n2+12S_n \ge \left\lceil \dfrac{n^2}{2} \right\rceil = \dfrac{n^2+1}{2}。

2. 当 n 为偶数时构造典型表证明下界可达

当 nn 为偶数时,设 n=2kn = 2k (k≥1k \ge 1)。
构造分块矩阵 A=(Jk0k×k0k×kJk)A = \begin{pmatrix} J_k & 0_{k \times k} \\ 0_{k \times k} & J_k \end{pmatrix},其中 JkJ_k 为 k×kk \times k 的全 1 矩阵。
此时每行和与每列和均为 kk。对任意零元素 ast=0a_{st} = 0,其行列和为 Rs+Ct=k+k=2k=n≥nR_s + C_t = k + k = 2k = n \ge n,满足典型表条件。
此时 Sn=2k2=n22S_n = 2k^2 = \dfrac{n^2}{2},说明最小值可达。

3. 当 n 为奇数时构造典型表证明下界可达

当 nn 为奇数时,设 n=2k+1n = 2k+1 (k≥1k \ge 1)。
构造分块矩阵 A=(Jk+10(k+1)×k0k×(k+1)Jk)A = \begin{pmatrix} J_{k+1} & 0_{(k+1) \times k} \\ 0_{k \times (k+1)} & J_k \end{pmatrix}。
前 k+1k+1 行和与前 k+1k+1 列和为 k+1k+1,后 kk 行和与后 kk 列和为 kk。
对任意零元素 ast=0a_{st} = 0,其位于右上或左下全 0 块,对应的行列和为 (k+1)+k=2k+1=n≥n(k+1) + k = 2k+1 = n \ge n,满足典型表条件。
此时 Sn=(k+1)2+k2=2k2+2k+1=n2+12S_n = (k+1)^2 + k^2 = 2k^2 + 2k + 1 = \dfrac{n^2+1}{2},说明最小值可达。

综上所述,当 nn 为偶数时,SnS_n 的最小值为 n22\dfrac{n^2}{2};当 nn 为奇数时,SnS_n 的最小值为 n2+12\dfrac{n^2+1}{2}。

答案

当 nn 为偶数时,SnS_n 的最小值为 n22\dfrac{n^2}{2};当 nn 为奇数时,SnS_n 的最小值为 n2+12\dfrac{n^2+1}{2}。

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