已知行列的数表中,对任意的,,都有若当时,总有,则称数表为典型表,此时记若数表,,请直接写出,是否是典型表; (2)当时,是否存在典型表使得,若存在,请写出一个;若不存在,请说明理由; (3)求的最小值.
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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 的数表 ,注意其第 1 行第 2 列元素 。
第 1 行元素之和 ,第 2 列元素之和 。
由于 ,不满足 ,故数表 不是典型表。
2. 检验数表 C 是否符合典型表定义
对于 的数表 ,其所有为 0 的元素 位于右上和左下区域。
对任意 (例如 ),第 行元素之和 ,第 列元素之和 。
此时 。
所有元素为 0 的位置均满足此条件,故数表 是典型表。
不是典型表, 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 的第 行元素之和为 ,第 列元素之和为 ,则 。
由典型表定义,当 时,有 ,即 ;
当 时,。
因此,对任意 ,恒有 。
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 求和得:
展开左边:
由柯西不等式可知 ,,代入得:
3. 代入 n=6 判断 S_6=17 的可行性
当 时,代入不等式得:
因为 ,产生矛盾。
所以不存在典型表 使得 。
不存在。理由:对任意 的典型表,其元素之和均满足 ,故不存在 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 ,均有:
解得 。
由于 必须为整数,故:
- 当 为偶数时,;
- 当 为奇数时,。
2. 当 n 为偶数时构造典型表证明下界可达
当 为偶数时,设 ()。
构造分块矩阵 ,其中 为 的全 1 矩阵。
此时每行和与每列和均为 。对任意零元素 ,其行列和为 ,满足典型表条件。
此时 ,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 为奇数时,设 ()。
构造分块矩阵 。
前 行和与前 列和为 ,后 行和与后 列和为 。
对任意零元素 ,其位于右上或左下全 0 块,对应的行列和为 ,满足典型表条件。
此时 ,说明最小值可达。
综上所述,当 为偶数时, 的最小值为 ;当 为奇数时, 的最小值为 。
当 为偶数时, 的最小值为 ;当 为奇数时, 的最小值为 。
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