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定理Theorem

Jacobi–Trudi 与表格权计数

Jacobi-Trudi identity · Jacobi–Trudi formula · Tableau expansion of Schur polynomials

将既有Schur交错商连接完全齐次行列式和半标准表权和,完整证明系数分解、首次相交换尾及列严格对应。

形式陈述 ​

同一个多项式的三份证书 ​

固定有限变量x1,…,xm,先在Q[x1,…,xm]中讨论。定义完全齐次多项式

hk(x1,…,xm)=∑1≤a1≤⋯≤ak≤mxa1⋯xak(k≥1),h0=1,hk=0 (k<0).

例如h2(x,y)=x2+xy+y2,相等下标允许出现。m=0时规定所有hk在k>0时为零。它与只允许互异下标的基本对称式ek不同。

取分拆λ,长度r、大小N。Schur多项式sλ(m)仍采用既有交错商定义;半标准表仍采用行弱增、列严格增的约定。Jacobi–Trudi及表格展开给出

(1)sλ(m)(x1,…,xm)=det(hλi−i+j(x1,…,xm))1≤i,j≤r=∑T∈SSYTm(λ)xT.

空形状采用零阶行列式1、唯一空表的权1。变量数m<r时,右侧没有表,三者都为零。公式先是多项式恒等式,因此变量相等、为零或取负值时都可代入;只是负值代入后的权和不再是非负计数。

式(1)给每个单项式一个精确解释:x1a1⋯xmam的系数是内容恰为(a1,…,am)的半标准表数。特别地,全取xi=1才得到允许m个字母的总表数。总次数始终是N。

直觉

hk数一行的所有弱递增填法。若将各行独立填好,再相乘,列之间的不合法关系还没有被排除。行列式的其他置换项以正负号加入不同端点的路径组合,恰好把有相交的组合两两抵消;剩下的不交路径就强迫每一列严格增加。

这说明两个看起来相反的事实可以同时成立:计算公式包含减法,最后的多项式系数却都是非负整数。非负性不是因为每个行列式项都非负,而是因为抵消后存在一份不带符号的对象清单。

旧Schur页已经从交错性证明商是多项式。本页需要额外证明行列式和表权和确实等于那个商,不能另起一个同名定义后省掉两者的连接。

例子与边界

七格形状给出一个三阶行列式 ​

对λ=(4,2,1),式(1)成为

(2)s(4,2,1)=det⁡(h4h5h6h1h2h301h1)=h4(h2h1−h3)−h5h12+h6h1.

左下角是h−1=0,其右侧是h0=1,两者不可混写。三变量全取1时,hk(1,1,1)等于将k分配给三个非负重数的方式数,即(k+22)。因此

s(4,2,1)(1,1,1)=15(6⋅3−10)−21⋅9+28⋅3=120−189+84=15.

在三个形式变量中,完整展开还可整理为

(3)s(4,2,1)(x,y,z)=m(4,2,1)+m(3,3,1)+2m(3,2,2),

其中mα把指数α的所有不同排列对应的单项式各加一次。三项分别含6、3、3个不同单项式,故全1处是6+3+2⋅3=15。

例如内容(3,2,2)的两张表为

1112233和1113223.

两表有相同权x3y2z2,所以这个系数是2,不是1。式(3)也可直接由水平条链逐张汇总内容核验。

独立行数为何会过大 ​

取λ=(1,1)、两个字母。独立给两行各填一个数,共有h12=(x+y)2这份权和,其中包括相等或上下反序的填法。式(1)却给

s(1,1)=det⁡(h1h21h1)=h12−h2=xy.

只有上格1、下格2留下。这里被减去的不是任意“修正项”,而是下一节可逆换尾所配对的相交路径。

若变量数少于行数,第一列无法严格填满,结果为零。若变量相等,旧交错商的分子分母可能同时为零,式(1)仍可直接求值。它消除了数值0/0,却没有允许在未约分的商里直接除零。

推论与应用

先将完全齐次行列式接回交错商 ​

在形式级数中,每个变量选择自己的出现重数,得到

(4)∑k≥0hkzk=∏a=1m(1−xaz)−1.

先取m≥r、m≥1,并把λ补到m行。令

li=λi+m−i,Da=∏b≠a(xa−xb).

在形式变量的有理函数域中,部分分式给出

(5)hk=∑a=1mxak+m−1Da(k≥0).

可直接验证各极点的系数:将式(4)右侧分解为∑aca/(1−xaz),乘上1−xaz再置z=1/xa,得到ca=xam−1/Da。比较zk系数便得式(5);这里所有除法都在有理函数域进行,没有先给xa指定相等的数值。

式(5)还适用于1−m≤k<0,此时右侧为零。证明使用Lagrange插值:对0≤e<m−1,把te写成

te=∑a=1mxae∏b≠a(t−xb)Da.

比较tm−1系数即得∑axae/Da=0。这一步补齐负下标,不能只用非负hk的生成函数跳过它。

现在每个矩阵下标k=λi−i+j=li−m+j都至少为1−m,所以

(hλi−i+j)i,j=1m=(xali)i,a=1m(xaj−1Da)a,j=1m.

取行列式。第一因子是旧Schur分子的转置,行列式不变。记Δm=∏a<b(xa−xb),则

det⁡(xaj−1Da)=(−1)m(m−1)/2Δm(−1)m(m−1)/2Δm2=1Δm.

因此乘积正是sλ(m)。补零的末m−r行在前r列全为零,右下块上三角且对角为h0=1,故m阶行列式等于式(1)的r阶行列式。两边已经是多项式,有理函数域中的相等便证明了多项式相等。

m<r时,先在r个变量证明,再把末r−m个变量置零;旧Schur特化和hk都按同样规则降维,得到所需恒等式。m=0且N>0时,每个行列式乘积项的下标总和为N,若不已含负下标零项,就必含一个正下标零项,所以结果也为零。

将行的弱递增填法画成有限格路 ​

现在取m≥1。只许向东或向北走的格路,从

Aj=(−j,1)走到Bi=(λi−i,m).

水平步的高度若为a,给它权xa;竖直步权1。一条路要走λi−i+j个水平步,它们的高度依次弱增,范围为1,…,m。因此从Aj到Bi的全部路径权和恰是hλi−i+j;若水平步数为负,就没有路。

所有路径都在这些端点限定的有限矩形中,不能向后走,因此路径数有限。行列式的Leibniz展开便是:给各起点指定互异终点,对每组路径乘总权,再乘端点置换的正负号。

首次相交换尾为什么能完整抵消 ​

给格点固定一个顺序:先按坐标和x+y递增,同和时按x递增。每条路径沿这个顺序严格前进。对含相交的路径组,选最早一个被至少两条路径经过的格点v,再选经过它的编号最小两条路径,交换它们在v之后的尾部。

交换后仍是合法路径,两个终点互换,所以置换符号变号;全部步的多重集合不变,所以总权不变。v之前的各路径都不变,v处经过的路径编号也不变;新的尾部只经过更晚的格点,不能制造更早交点。因此再用同一规则会选同一v和同一对路径,换回原组。这个映射是没有固定点的变号对合,恰好抵消所有相交组。

不相交组只能把Ai连到Bi。起点横坐标按i严格递减,终点横坐标λi−i也严格递减。两条不相交的单调路径在同一高度占据两个不交的水平区间;从一层升到下一层时,它们的左右顺序不能互换,否则在连接两层的竖直段或端点相交。因此起点和终点的左右顺序必须一致,端点置换只能是恒等。剩余组的符号全为正。

图用λ=(2,1)的两条相交路展示配对。圆圈是证明所需的真实共享点;换尾后权仍为x22x3,端点置换符号相反。

不相交恰好对应列严格 ​

对于第i条路,将其从左到右的水平步高度写入表的第i行,自动得到行弱增,且总权是xT。只需检查相邻两行。

第i行第k步开始处的横坐标为k−i−1;下一行第k步结束处也在这一横坐标。若上格值严格小于下格值,前一路在这里的竖直段终点低于后一路竖直段起点,两者分开。对所有共有列都成立时,相邻两路始终分开,较远的路径也由左右次序分开。

反过来,取第一处违反T(i,k)<T(i+1,k)的列k。上一路在该横坐标的竖直段下端不高于下格值:k=1时它从高度1开始;k>1时,由前一列严格关系及下行弱增得到

T(i,k−1)<T(i+1,k−1)≤T(i+1,k).

其上端T(i,k)又不低于下格值,所以该竖直段经过下一路第k步的终点,两路相交。故不交与列严格准确等价。路径与表可以按每行水平步高度互相恢复,证明了式(1)最后一个等号。

有限求值与计数接口 ​

在给定有理数x1,…,xm处,令K=λ1+r−1。可从h0=1、其他hk=0开始,依次读每个xa,按k=1,…,K递增更新hk←hk+xahk−1。这是式(4)逐因子乘几何级数的截断递推。再形成r阶矩阵求行列式,稠密精确域算术需O(mK+r3)次运算、O(K+r2)个数值槽;空形状或空变量表直接按前述边界返回。大整数位长以及符号多项式的单项式数不包含在这项域运算计数中。

钩式计数将进一步化简全1特化及平方自由系数。RSK词版本则用每份表的内容保持性,把式(1)的单项式系数变成词集合中指定形状的精确纤维大小。

参考资料
  • Darij Grinberg、Victor Reiner,Hopf Algebras in Combinatorics,2026-09-06修订,§2.2的完全齐次与表权定义、§2.4 Theorem2.4.6,印页57:Jacobi–Trudi;§2.6的交错商。本文限定直形,不把书中斜形版本一并承诺。
  • Darij Grinberg,Math 531 Winter 2024: Lecture diary,2024-03-15版,§4.4 Propositions4.4.7–4.4.8、Theorem4.4.10,印页167–169:多路换尾、端点顺序及带权抵消。本文明确给出规范最早交点和Young行路的坐标,补齐双向对应。
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