Utente:Grasso Luigi/sandbox4/Inversione

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Vai alla navigazione Vai alla ricerca

In informatica e matematica discreta, il termine inversione in una successione è una coppia di elementi che non sono nel loro ordine naturale.

Definizioni

Inversione in una generica permutazione con notazione 2-linea. Un inversione si denota con la coppia delle posizioni (i, j), notazione posizione-elementi, o la coppia degli elementi (π(i), π(j)), notazione valore-elementi.

Consideriamo una permutazione nella notazione 1-linea

dell'insieme . Diciamo inversione di tra e se e . L'inversione viene denotata o dalla coppia delle due posizioni [1][2] o dalla coppia degli elementi .[3][4][5]

Dicesi insieme inversione l'insieme di tutte le inversioni e si denota . Quindi in notazione posizione-elementi si ha:

o in maniera equivalente nella notazione valore-elementi:

Nel caso di notazione posizione-elemento di una permutazione l'insieme è uguale a quello della permutazione inversa con la notazione valore-elemento con la coppia di elementi scambiata, cioè :

Allo stesso modo, l'insieme inversione di una permutazione usando la notazione valore-elemento è uguale a quello della permutazione inversa con la notazione posizione-elemento con i due indici scambiati, quindi .[6]

per cui, noto l'insieme inversione di una permutazione, è facile trovare quello della sua inversa in notazione posizione-elemento:

Le inversioni di solito si definiscono per le permutazioni, ma possono anche definirsi per le successioni:
Sia una successione (o permutazione multiinsieme[7]). Se e , sia la coppia delle posizioni [8][9] o la coppia di elementi [10] viene detta inversione di .

Per le successioni, la definizione d'inversione usando gli elementi non è unica, infatti differenti coppie di posizioni possono avere la stessa coppia di valori.

Numero d'inversione

Il numero inversione con notazione [11] di una successione di numeri

rappresenta la cardinalità dell'insieme inversione. È una misura comune dell'ordinamento (a volte chiamato preordinamento) di una permutazione[12] o successione.[13] Il campo di valori è:

.

Nel caso di permutazioni si usa pure il simbolo , inoltre una permutazione e la sua inversa hanno lo stesso numero inversione, cioè:

Ad esempio in quanto la successione è ordinata. Inoltre, quando cioè un numero pari, (infatti ogni coppia è un'inversione). Quest'ultimo esempio mostra che un insieme intuitivamente quasi ordinato può ancora avere un numero quadratico di inversioni.

Il numero di inversione è il numero di incroci nel diagramma a freccia di una permutazione,[14] oppure è la distanza tau di Kendall della permutazione da quella identica () ed è anche la somma di ciascuno dei vettori correlati all'inversione definiti di seguito.

Altre misure di ordinamento includono il numero minimo di elementi che possono essere eliminati dalla sequenza per produrre una sequenza completamente ordinata, the number and lengths of sorted "runs" within the sequence, the Spearman footrule (somma delle distanze di ogni elemento dalla sua posizione ordinata), ed è il più piccolo numero di scambi necessari per avere una successione ordinata.Template:Sfn Gli algoritmi di ordinamento comparativi standard si possono adattare per calcolare il numero di inversione nel tempo .[15]

Vettori d'inversione

Per contare le inversioni di una data permutazione π si può procedere da sinistra a destra e viceversa. Analogo discorso vale per la permutazione inversa π-1.

Consideriamo una permutazione nella notazione 1-linea e utilizziamo due indici diversi per la posizione

e la sua inversa nella stessa notazione

.

Possiamo associare dei vettori tra loro analoghi per rappresentare le inversioni di una permutazione in insiemi di componenti che le determinano univocamente. Viene usato il termine vettore inversione seguito da un modo specifico di operare nel calcolo delle possibili inversioni. (A list of sources is found here.)

In questa definizione usiamo i seguenti termini

vettore inversione destro dell'inversa
vettore inversione sinistro dell'inversa .
vettore inversione sinistro
vettore inversione destro o vettore di Lehmer .

dove i simboli sono utilizzati dal programma Mathematica nel linguaggio Wolfram.[16] Se ogni componente del vettore viene interpretata come un numero in base fattoriale allora il conteggio delle inversioni a sinistra fornisce l'indice colessicografico inverso (rev-Colex) ,[17] e il conteggio delle inversioni a destra fornisce l'indice lessicografico (Lex).

Vettori inversione destro, sinistro di π-1: v, v'

Definiamo il vettore inversione destro nella notazione vettoriale e nella notazione fattoriale
e prima componente sempre nulla. Nella definizione della componente indichiamo il numero d'inversioni il cui componente più piccolo è nella posizione .Template:Sfn. Per il suo calcolo occorre trovare il numero di elementi in che stanno a destra di e sono minori di esso. In notazioni equivalenti:
analogamente possiamo definire il vettore sinistro nelle due notazioni viste prima
e prima componente nulla. Il calcolo delle sue componenti:

Vettore inversione sinistro, destro di π: l, r

Definiamo il vettore inversione sinistro nella notazione vettoriale e nella notazione fattoriale
la prima componente è sempre nulla. In notazione posizionale indica il numero d'inversioni la cui componente più grande (a destra) è . Per il suo calcolo fissiamo un elemento , e contiamo il numero elementi del tipo maggiori di che stanno a sinistra di quello fissato . In notazioni equivalenti:
e definiamo il vettore inversione destro nelle due solite notazioni
con prima componente nulla e spesso detto codice di Lehmer. Definiamo in notazione posizionale come il numero d'inversioni la cui componente più piccola (sinistra) è . Per il suo calcolo fissiamo un elemento , e contiamo il numero elementi del tipo minori di che stanno a destra di quello fissato . In notazioni equivalenti:

Sia che si possono rappresentare con il diagramma di Rothe, cioè una matrice di permutazione con gli elementi rappresentati da puntini, e un'inversione (spesso indicata con una crocetta), utilizzando le definizioni viste, in ogni posizione quando si effettua il calcolo del vettore inversione destro di detto anche vettore codice Lehmer, in questo caso le colonne rappresentano i valori . Il valore di si ottiene come somma delle inversioni della -esima riga del diagramma, mentre si ottiene come somma delle inversioni nella -esima colonna. Il diagramma della permutazione inversa si ottiene per trasposizione, per cui di una permutazione diventa della sua inversa, e viceversa.

Infine è da notare che esistono delle relazioni tra i vettori d'inversione destri e quelli sinistri. Conoscendo i vettori L, L' si ottengono I',I tramite :

o in forma indiciale

oppure dai vettori I, I' si ottengono L', L tramite :

ad esempio dalla permutazione π=254631 si ha:

Esempi

Consideriamo la seguente permutazione di 6 elementi:

che ammette inversa

Possiamo calcolare i vettori d'inversione per il diagramma di Rothe accanto

Vettore inversione destro di (Vettore Lehmer)
1 2 2<5 1 1 5!=120
3 2<4
4 2<6
5 2<3
6 2>1 (1,6) (1,1)
2 3 5>4 (2,3) (2,4) 3 3 4!=72
4 5<6
5 5>3 (2,5) (2,3)
6 5>1 (2,6) (2,1)
3 4 4<6 2 2 3!=12
5 4>3 (3,5) (3,3)
6 4>1 (3,6) (3,1)
4 5 6>3 (4,5) (4,3) 2 2 2!=4
6 6>1 (4,6) (4,1)
5 6 3>1 (5,6) (5,1) 1 1 1! = 1
6 0 0 0! = 0
Vettore inversione destro di
1 2 6>1 (1,2) (1,1) 5
3 6>5 (1,3) (1,5)
4 6>3 (1,4) (1,3)
5 6>2 (1,5) (1,2)
6 6>4 (1,6) (1,4)
2 3 1<5 0
4 1<3
5 1<2
6 1<4
3 4 5>3 (3,4) (3,3) 3
5 5>2 (3,5) (3,2)
6 5>4 (3,6) (3,4)
4 5 3>2 (4,5) (4,2) 1
6 3<4
5 6 2<4 0
6 0

Diagramma di Rothe ordine lessicografico o destro
r - vettore inversione destro di π (Lehmer)
v - vettore inversione destro di π-1

Insiemi permutazioni di 3 e 4 elementi

Le tabelle ordinabili mostrano le 6 permutazioni di tre elementi e le 24 permutazioni di 4 elementi con le colonne seguenti:

  1. : il valore in base 10 del vettore inversione destro di o vettore di Lehmer. Le permutazioni involutive () sono contraddistinte con il colore verde.
  2. : visualizza la matrice di permutazione associata.
  3. : la permutazione in notazione 1-linea.
  4. p-b (cioè place-based): rappresentazione in un triangolo formato dal numero di coppie (i,j) nella notazione posizionale dell'insieme d'inversione.
  5. : vettore inversione destro della permutazione inversa .
  6. : vettore inversione destro della permutazione .
  7. oppure : numero d'inversioni. Da notare che . Inoltre le inversioni dispari (numeri in nero) hanno segno della permutazione e quelle pari (numeri in rosso) hanno segno +1.

Le componenti dei vettori inversione destri nel sistema numerico fattoriale sono espressi con le cifre in colore rosso con quella meno significativa opaca, ad esempio

1000
indica nel sistema numerico fattoriale
Proprietà
Diagonali ascendenti per n=4 del triangolo p-b.
  • I vettori inversione sx e dx di sono in relazione con l'insieme d'inversione che è contenuto nell'insieme delle possibili coppie rappresentate da un triangolo p-b (place-based). I valori non nulli del vettore inversione sinistro sono le somme delle coppie delle diagonali discendenti o principali del triangolo p-b, mentre quelle del vettore inversione destro sono le somme delle coppie delle diagonali ascendenti o secondarie. (Dalla figura accanto per n=4, le coppie nelle diagonali discendenti hanno in comune la posizione j=2,3,4; mentre le coppie nelle diagonali ascendenti hanno in comune la componente i=1,2,3.)
  • I vettori inversione ed hanno le stesse cifre, lo stesso per ed . Ad esempio per n=3 si ha:
    v r v' l
    123 000 000 000 000
    213 100 100 010 010
    132 010 010 001 001
    312 110 200 002 011
    231 200 110 011 002
    321 210 210 012 012
  • L'ordine rev-colex di , è lo stesso come l'ordine colex del vettore . L'ordine lex di è lo stesso ordine per il vettore . L'ordine colex si ottiene da quello lex per inversione delle singole sequenze 1-linea. Ad esempio per n=3 si ha:
    infine se invertiamo l'ordine otteniamo rev-lex e rev-colex, cioè
    per i vettori inversione nell'ordine lex di si hanno
    e invertendo le singole sequenze si ottiene
    che corrispondono ai vettori inversione nell'ordine rev-colex di .

Insieme delle permutazioni di 3 elementi

Triangolo p-b: rappresentazione delle 3 possibili inversioni in notazione posizionale (i,j) di una permutazione 1-linea π(1)π(2)π(3)
Lex / rev-Lex
p-b
0 123 000 000 0
1 132 010 010 1
2 213 100 100 1
3 231 200 110 2
4 312 110 200 2
5 321 210 210 3
rev-Colex / Colex
p-b
0 123 000 000 0
1 213 010 010 1
2 132 001 001 1
3 312 002 011 2
4 231 011 002 2
5 321 012 012 3

Il gruppo simmetrico n=3 ammette 4 elementi simmetrici (celle verdi prima colonna).

Insieme delle permutazioni di 4 elementi

Triangolo p-b: le 6 possibili inversioni in notazione posizionale (i,j) di una permutazione 1-linea π(1)π(2)π(3)π(4)
Ordine lex
p-b
0 1234 0000 0000 0
1 1243 0010 0010 1
2 1324 0100 0100 1
3 1342 0200 0110 2
4 1423 0110 0200 2
5 1432 0210 0210 3
6 2134 1000 1000 1
7 2143 1010 1010 2
8 2314 2000 1100 2
9 2341 3000 1110 3
10 2413 2010 1200 3
11 2431 3010 1210 4
12 3124 1100 2000 2
13 3142 1200 2010 3
14 3214 2100 2100 3
15 3241 3100 2110 4
16 3412 2200 2200 4
17 3421 3200 2210 5
18 4123 1110 3000 3
19 4132 1210 3010 4
20 4213 | 2110 3100 4
21 4231 3110 3110 5
22 4312 2210 3200 5
23 4321 3210 3210 6
Ordine rev-colex
p-b
0 1234 0000 0000 0
1 2134 0000 0000 1
2 1324 0000 0000 1
3 3124 0000 0000 2
4 2314 0000 0000 2
5 3214 0000 0000 3
6 1243 0000 0000 1
7 2143 0000 0000 2
8 1423 0000 0000 2
9 4123 0000 0000 3
10 2413 0000 0000 3
11 4213 0000 0000 4
12 1342 0000 0000 2
13 3142 0000 0000 3
14 1432 0000 0000 3
15 4132 0000 0000 4
16 3412 0000 0000 4
17 4312 0000 0000 5
18 2341 0000 0000 3
19 3241 0000 0000 4
20 2431 0000 0000 4
21 4231 0000 0000 5
22 3421 0000 0000 5
23 4321 0000 0000 6

Il gruppo simmetrico n=4 ammette 10 elementi simmetrici.

Ordinamento debole delle permutazioni

Permutohedron of the symmetric group S4

The set of permutations on n items can be given the structure of a partial order, called the weak order of permutations, which forms a lattice.

The Hasse diagram of the inversion sets ordered by the subset relation forms the skeleton of a permutohedron.

If a permutation is assigned to each inversion set using the place-based definition, the resulting order of permutations is that of the permutohedron, where an edge corresponds to the swapping of two elements with consecutive values. This is the weak order of permutations. The identity is its minimum, and the permutation formed by reversing the identity is its maximum.

If a permutation were assigned to each inversion set using the element-based definition, the resulting order of permutations would be that of a Cayley graph, where an edge corresponds to the swapping of two elements on consecutive places. This Cayley graph of the symmetric group is similar to its permutohedron, but with each permutation replaced by its inverse.

Note

  1. ^ Aigner M., p. 27
  2. ^ Comtet L., p. 237
  3. ^ Knuth D., p. 11
  4. ^ Pemmaraju S. V., p. 69
  5. ^ Vitter J. S., p. 459
  6. ^ Gratzer G., p. 221
  7. ^ Bóna M., p. 57
  8. ^ Bóna M., p. 57
  9. ^ Cormen T. H., p. 39
  10. ^ Barth W., Mutzel P., p. 183
  11. ^ Heikki Mannila, 1985
  12. ^ Vitter J. S., Flajolet Ph., p. 459
  13. ^ Barth W., Mutzel P., p. 183
  14. ^ Gratzer G., p. 221
  15. ^ Kleinberg Jon, Tardos Éva, p. 225
  16. ^ Weisstein, Eric W. "Inversion Vector" From MathWorld--A Wolfram Web Resource
  17. ^ Reverse colex order of finitary permutations (EN) Sequenza A055089, su On-Line Encyclopedia of Integer Sequences, The OEIS Foundation.

Bibliografia

Riviste suggerite

Voci correlate

Template:'''wikiversity'''

Successioni di OEIS:

  Portale Matematica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di matematica