■格子正多角形・再考(その5)

 n次元超立方体の頂点をうまく結んで正軸体を作ることはできる場合があります.正軸体は中心を通るn本の互いに直交する直線上に等間隔に点をとった合計2n点で作られます.したがって,座標(±1,±1,・・・,±1)(n次元ベクトル)の中からうまくn個の互いに直交する組が選べれば正軸体ができます.

 これは+1,−1を成分とする直交行列(アダマール行列とよばれる)を作るのと同一で,nが4の倍数であることが必要条件になります.逆にnが4の倍数のとき,アダマール行列ができるか?は有名な未解決問題です(たぶんそうだろうと考えられ,かなり多くのnについて正しいことがわかっています).

 だから,nが4の倍数である場合にはうまく頂点を選んで正軸体ができる場合があります(n=4はもちろんだが,n=8など).

 正単体の場合は一層厄介ですが,たぶん不可能と思います.1辺の長さ1のn次元超立方体の頂点間の距離は1,√2,√3,・・・,√nのいずれかであり,1辺の長さaのn次元正単体の体積は(n+1)^1/2a^n/2^n/2n!ですから,格子点を結んでできる単体が正単体になりうる必要条件は(n+1)^1/2が√2,√3,・・・,√nで有理的に表される必要があります.

 これは特定のnについては可能(例えばn=3なら(n+1)^1/2=2で実際可能)ですが,n=2のとき正方格子の頂点を結んで正三角形ができない(√3が無理数のため)の証明と相通じます.n=4では(n+1)^1/2=√5が邪魔して,同様に不可能と思います.もちろんこれは可能なための必要条件のひとつにすぎず,可能な場合があるかもしれません(例えばn=8について).

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【補】アダマール行列

 アダマール行列Hnは+1か−1の要素をもつn×n行列で,その行と列は互いに直交している.各行または列のノルム(各要素の2乗和)はnであるから,

  HnHn’=Hn’Hn=nIn

が成り立つ.

  det|nIn|=n^n

より

  det|Hn|=n^n/2

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【補】アダマールの定理

 もっと一般に,各成分が1か−1のn×n行列の行列式はn^n/2以下である.

 アダマールの定理の証明は,行列式の幾何学的意味を理解すれば簡単である.行列式の絶対値は,n個のそれぞれの長さ√nの行ベクトルが作るn次元平行六面体の体積だから,その値は(√n)^n=n^n/2以下である.等号はベクトル同士が全部直交するときに限る.

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