数学 、特に線型代数 において、パフィアン (ぱふぃあん、英 : Pfaffian )もしくはパッフィアン とは、偶数次の交代行列 に対して定義される斉次多項式 で、行列式 の平方根 根号 を使って書き表す必要があるが、偶数次の交代行列 の場合は行列の要素の多項式 で平方根を書き表すことができることが知られており、これがパフィアンに相当する。
なお奇数次の歪対称行列の場合は行列式は常に 0 になることが知られている。よって奇数次の場合には「行列式の平方根」も 0 になる。
表現論 や組合せ論 において応用されるほか、数理物理においては、可積分系 の方程式のソリトン 解の表示や可解格子の一種であるダイマー模型 の分配関数 の計算等に応用される[1] アーサー・ケイリー によって名づけられたものであり[2] J. F. パフ（英語版 ） に因むものである[3]
定義 一般的定義 2n 次の交代行列 A = (aij )1≤i ,j ≤2n (aij = −aji )
Pf
(
A
)
=
∑
σ
∈
F
2
n
sgn
(
σ
)
a
σ
(
1
)
σ
(
2
)
a
σ
(
3
)
σ
(
4
)
⋯
a
σ
(
2
n
−
1
)
σ
(
2
n
)
{\displaystyle \operatorname {Pf} (A)=\textstyle \sum \limits _{\sigma \in F_{2n}}\operatorname {sgn}(\sigma )a_{\sigma (1)\sigma (2)}a_{\sigma (3)\sigma (4)}\cdots a_{\sigma (2n-1)\sigma (2n)}}
で定義される n 次の斉次多項式 Pf(A ) を n 次のパフィアン と呼ぶ。ただし、F 2n 2n 次の対称群 S 2n
F
2
n
=
{
σ
∈
S
2
n
|
σ
(
2
i
−
1
)
<
σ
(
2
i
)
(
1
≤
i
≤
n
)
,
σ
(
1
)
<
σ
(
3
)
⋯
<
σ
(
2
n
−
1
)
}
{\displaystyle F_{2n}=\{\sigma \in S_{2n}|\,\sigma (2i-1)<\sigma (2i)\quad (1\leq i\leq n),\,\sigma (1)<\sigma (3)\cdots <\sigma (2n-1)\}}
を満たすものとして定義される。現れる項の重複を許すならば、
Pf
(
A
)
=
1
2
n
n
!
∑
σ
∈
S
2
n
sgn
(
σ
)
a
σ
(
1
)
σ
(
2
)
a
σ
(
3
)
σ
(
4
)
⋯
a
σ
(
2
n
−
1
)
σ
(
2
n
)
=
1
n
!
∑
σ
∈
F
2
n
′
sgn
(
σ
)
a
σ
(
1
)
σ
(
2
)
a
σ
(
3
)
σ
(
4
)
⋯
a
σ
(
2
n
−
1
)
σ
(
2
n
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {Pf} (A)&={\frac {1}{2^{n}n!}}\textstyle \sum \limits _{\sigma \in S_{2n}}\operatorname {sgn}(\sigma )a_{\sigma (1)\sigma (2)}a_{\sigma (3)\sigma (4)}\cdots a_{\sigma (2n-1)\sigma (2n)}\\&={\frac {1}{n!}}\textstyle \sum \limits _{\sigma \in F_{2n}'}\operatorname {sgn}(\sigma )a_{\sigma (1)\sigma (2)}a_{\sigma (3)\sigma (4)}\cdots a_{\sigma (2n-1)\sigma (2n)}\end{aligned}}}
という表示も可能である。ただし
F
2
n
′
=
{
σ
∈
S
2
n
|
σ
(
2
i
−
1
)
<
σ
(
2
i
)
(
i
=
1
,
⋯
,
n
)
}
{\displaystyle F_{2n}'=\{\sigma \in S_{2n}|\,\sigma (2i-1)<\sigma (2i)\quad (i=1,\cdots ,n)\}}
である。
外積代数による導入 ベクトル空間 V の基底 e 1 , e 2 , …, e 2n 外積代数 Λ(V ) における2形式
ω
=
∑
i
<
j
a
i
j
e
i
∧
e
j
(
a
i
j
=
−
a
j
i
)
{\displaystyle \omega =\textstyle \sum \limits _{i<j}a_{ij}e_{i}\wedge e_{j}\quad (a_{ij}=-a_{ji})}
を定義すると、その n 乗の外積 は
∧
n
ω
=
ω
∧
ω
∧
⋯
∧
ω
=
1
n
!
Pf
(
A
)
e
1
∧
e
2
∧
⋯
∧
e
2
n
{\displaystyle \wedge ^{\,n}\omega =\omega \wedge \omega \wedge \cdots \wedge \omega ={\frac {1}{n!}}\operatorname {Pf} (A)e_{1}\wedge e_{2}\wedge \cdots \wedge e_{2n}}
であり、自然な形でパフィアンが現れる。
記法 パフィアンを表す記法としては、Pf(A ) のほかに、行と列の区別を排した
Pf
(
a
1
,
a
2
,
⋯
,
a
2
n
)
,
Pf
(
1
,
2
,
⋯
,
2
n
)
(
Pf
(
a
i
,
a
j
)
=
a
i
j
)
{\displaystyle \operatorname {Pf} (a_{1},a_{2},\cdots ,a_{2n}),\,\,\,\operatorname {Pf} (1,2,\cdots ,2n)\quad (\operatorname {Pf} (a_{i},a_{j})=a_{ij})}
といった記法がある。また、スコットランドの数学者トーマス・ミューア（英語版 ） によって導入された行列式の記法 |A | において右上半分だけ表示する、
|
a
12
a
13
⋯
a
12
n
a
23
⋯
a
22
n
⋱
⋮
a
2
n
−
12
n
|
{\displaystyle \left.{\begin{matrix}|a_{12}&a_{13}&\cdots &a_{12n}\\&a_{23}&\cdots &a_{22n}\\&&\ddots &\vdots \\&&&a_{2n-12n}\end{matrix}}\right|}
も用いられる。
例 便宜上、F 2n 置換 σ を順列 (σ (1), …, σ (2n ))
n = 1
n = 1F 2 (1, 2) sgn(σ ) +1 であるから、
Pf
(
A
)
=
a
12
{\displaystyle \operatorname {Pf} (A)=a_{12}}
となる。
n = 2
n = 2F 4 (1, 2, 3, 4), (1, 3, 2, 4), (1, 4, 2, 3) sgn(σ ) は +1, −1, +1
Pf
(
A
)
=
a
12
a
34
−
a
13
a
24
+
a
14
a
23
{\displaystyle \operatorname {Pf} (A)=a_{12}a_{34}-a_{13}a_{24}+a_{14}a_{23}}
となる。
性質 基本的な性質 最も基本的な性質は、交代行列 A に対して、その行列式との間に成り立つ関係式
det
(
A
)
=
(
Pf
(
A
)
)
2
{\displaystyle \operatorname {det} (A)=(\operatorname {Pf} (A))^{2}}
である。また、2n A , 2n B に対して、
Pf
(
t
B
A
B
)
=
det
(
B
)
Pf
(
A
)
{\displaystyle \operatorname {Pf} ({}^{t}\!BAB)=\operatorname {det} (B)\operatorname {Pf} (A)}
が成り立つ。
また、n 次正方行列 B について、
Pf
(
0
B
−
t
B
0
)
=
(
−
1
)
n
(
n
−
1
)
2
det
B
{\displaystyle \operatorname {Pf} {\begin{pmatrix}0&B\\-{}^{t}\!B&0\end{pmatrix}}=(-1)^{\frac {n(n-1)}{2}}\det B}
が成り立つ。
展開公式 2n A に対し、A から i , j i , j 2(n − 2) A (i , j )
Pf
(
A
)
=
∑
j
=
1
2
n
(
−
1
)
i
+
j
+
1
a
i
j
Pf
(
A
(
i
j
)
)
=
∑
j
=
1
2
n
(
−
1
)
i
+
j
+
1
Pf
(
a
i
,
a
j
)
Pf
(
a
1
,
⋯
,
a
i
^
,
⋯
,
a
j
^
,
⋯
,
a
2
n
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {Pf} (A)&=\textstyle \sum \limits _{j=1}^{2n}(-1)^{i+j+1}a_{ij}\operatorname {Pf} (A^{(ij)})\\&=\textstyle \sum \limits _{j=1}^{2n}(-1)^{i+j+1}\operatorname {Pf} (a_{i},a_{j})\operatorname {Pf} (a_{1},\cdots ,{\hat {a_{i}}},\cdots ,{\hat {a_{j}}},\cdots ,a_{2n})\end{aligned}}}
が成り立つ。ただし、2行目において、ˆ は、その成分を取り除くことを意味する。これは行列式における余因子展開 に相当する。
脚注
^ P. W. Kasteleyn, "The statistics of dimers on a lattice. I. The number of dimer arrangements on a quadratic lattice". Physica 27 (12) pp. 1209–1225 (1961). doi :10.1016/0031-8914(61)90063-5 ^ A. Cayley , "On the theory of permutants," Cambridge and Dublin Mathematical Journal 7 , pp. 40–51 (1852).^ J. F. Pfaff, "Methodus generalis, aequationes differentiarum partialium, nec non aequationes differentiales vulgares, utrasque primi ordinis, inter quotcunque variabiles, completi integrandi," Abhandlungen der Königlich-Preuß ischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, Mathematische Klasse , pp. 76–136 (1814).
参考文献 関連項目 外部リンク
