Blokové schéma je množina spolu s rodinou podmnožin (v některých případech je povoleno opakování podmnožin), jejíž členové splňují některé vlastnosti, které jsou považovány za užitečné pro konkrétní aplikaci. Tyto aplikace pocházejí z různých oblastí, včetně návrhu experimentu , konečné geometrie , testování softwaru , kryptografie a algebraické geometrie . Bylo zvažováno mnoho možností, ale nejintenzivněji jsou studovány vyvážené neúplné blokové návrhy (Balanced Incomplete Block Designs, BIBD , 2-schemes), které byly historicky spojovány se statistickými problémy vplánování experimentu [1] [2] .
Blokové schéma, ve kterém mají všechny bloky stejnou velikost, se nazývá homogenní . Obvody diskutované v tomto článku jsou všechny stejné. Párově vyvážené návrhy (PBD) jsou příklady blokových diagramů, které nemusí být nutně jednotné.
Vzhledem k tomu, že je dána konečná množina X (prvků, které se nazývají body ) a celá čísla k , r , λ ≥ 1, definujeme 2-schéma B jako rodinu k - prvkových podmnožin X , nazývaných bloky , takže libovolný prvek x z X je obsaženo v r blocích a jakýkoli pár odlišných bodů x a y v X je obsažen v blocích λ .
Slovo "rodina" ve výše uvedené definici může být nahrazeno slovem "set", pokud není povoleno opakování bloků. Obvody, ve kterých není povoleno opakování bloků, se nazývají jednoduché .
Zde v (počet prvků X , nazývané body), b (počet bloků), k , r a λ jsou parametry obvodu . (Aby se předešlo zdegenerovaným příkladům, předpokládá se, že v > k , takže žádný blok neobsahuje všechny prvky množiny. Proto je v názvu obvodů přítomno slovo "neúplný".) V tabulce:
proti | bodů, počet prvků X |
b | počet bloků |
r | počet bloků obsahujících daný bod |
k | počet bodů v bloku |
λ | počet bloků obsahujících libovolné 2 (nebo obecněji t ) bodů |
Obvod se nazývá ( v , k , λ )-obvod nebo ( v , b , r , k , λ )-obvod. Parametry nejsou nezávislé - v , k a λ určují b a r a ne všechny kombinace v , k a λ jsou povoleny. Dvě základní rovnosti obsahující tyto parametry
získané sčítáním dvojic ( B , p ), kde B je blok a p je bod v tomto bloku
se získá počítáním trojic ( p , q , B ), kde p a q jsou odlišné body a B je blok obsahující oba body a vydělením počtu trojic v .
Tyto podmínky nejsou dostatečné, protože např. schéma (43,7,1) neexistuje [3]
Pořadí 2-schéma je definováno jako n = r − λ . Doplněk 2-schéma se získá nahrazením každého bloku jeho doplňkem v množině bodů X . Doplněk je také 2-schéma a má parametry v ′ = v , b ′ = b , r ′ = b − r , k ′ = v − k , λ ′ = λ + b − 2 r . 2-schéma a jeho doplněk mají stejné pořadí.
Základní věta, Fisherova nerovnost , pojmenovaná po statistikovi Ronaldu Fisherovi , říká, že b ≥ v v libovolném 2-schématu.
Z hlediska teorie grafů lze definici 2-schéma přeformulovat následovně: blokový diagram je pokrytí s násobností úplného grafu na vrcholech úplnými grafy na vrcholech. Vývojové diagramy pro a jsou triviální, takže se obvykle předpokládá, že .
Jediný (6,3,2) obvod má 10 bloků ( b = 10) a každý prvek se opakuje 5x ( r = 5) [4] . Pokud jsou použity symboly 0 − 5, bloky obsahují následující trojice:
012 013 024 035 045 125 134 145 234 235.Jedno ze čtyř neizomorfních (8,4,3) schémat má 14 bloků, ve kterých se prvky 7krát opakují. Pomocí symbolů 0 - 7 jsou bloky následující čtyřky: [4]
0123 0124 0156 0257 0345 0367 0467 1267 1346 1357 1457 2347 2356 2456.Jediný (7,3,1)-obvod má 7 bloků, ve kterých se každý prvek opakuje 3x. Při použití symbolů 0 − 6 slouží jako bloky následující trojice: [4]
013 026 045 124 156 235 346. Pokud jsou prvky chápány jako body v rovině Fano , pak jsou tyto bloky přímky.Případ rovnosti ve Fisherově nerovnosti, tedy 2-obvodu se stejným počtem bodů v blocích, se nazývá symetrický obvod [5] . Symetrické obvody mají nejmenší počet bloků ze všech 2-obvodů se stejným počtem bodů.
V symetrickém obvodu je splněno r = k , stejně jako b = v , a ačkoli to neplatí pro libovolné 2-obvody, v symetrických obvodech mají libovolné dva různé bloky společných bodů λ [6] . Reiserova věta dává opačný závěr – pokud X je množina v prvků a B je množina vk podmnožin prvků („bloků“), takže libovolné dva různé bloky mají společných přesně λ bodů , pak ( X , B ) je symetrické blokové schéma [7] .
Parametry symetrického obvodu vyhovují rovnosti
Rovnost ukládá silné omezení na v , takže počet bodů není zdaleka libovolný. Brook-Reiser-Chowl teorém dává nutnou, ale ne postačující podmínku pro existenci symetrických obvodů z hlediska jejich parametrů.
Níže jsou uvedeny důležité příklady symetrických 2-obvodů:
Konečné projektivní roviny jsou symetrická 2-schémata s λ = 1 a řádem n > 1. Pro tato schémata se rovnost symetrického schématu stává:
Protože k = r , můžeme zapsat pořadí projektivní roviny jako n = k − 1 a z výše uvedené rovnosti dostaneme v = ( n + 1) n + 1 = n 2 + n + 1 bodů v projektivu rovina řádu n .
Protože projektivní rovina je symetrický obvod, máme b = v , což znamená, že také b = n 2 + n + 1. Číslo b je počet čar v projektivní rovině. Protože λ = 1 se nemohou opakovat přímky, projektivní rovina je jednoduché 2-schéma, ve kterém je počet čar a počet bodů vždy stejný. Pro projektivní rovinu je k počet bodů na přímce a rovná se n + 1. Podobně r = n + 1 je počet úseček, se kterými daný bod spadá.
Pro n = 2 máme projektivní rovinu řádu 2, nazývanou také Fanova rovina , s v = 4 + 2 + 1 = 7 bodů a 7 přímek. V rovině Fano má každá přímka přesně n + 1 = 3 body a každý bod náleží n + 1 = 3 přímkám.
Je známo, že projektivní roviny existují pro všechna řády rovnající se prvočíslům a jejich mocninám. Tvoří jedinou známou nekonečnou rodinu symetrických blokových diagramů [8] .
Biplanární geometrie je symetrické 2-schéma s λ = 2. To znamená, že jakákoliv sada dvou bodů je obsažena ve dvou blocích („úsečkách“) a jakékoli dvě přímky se protínají ve dvou bodech [8] . Biplanární geometrie jsou podobné projektivním rovinám, kromě toho, že dva body nedefinují čáru (a dvě čáry nedefinují bod). V biplanární geometrii dva body definují dvě čáry (odpovídajícím způsobem dvě čáry definují dva body). Biplanární geometrie řádu n je obvod, jehož bloky mají bodů k = n + 2. Celkový počet bodů je v = 1 + ( n + 2)( n + 1)/2 (protože r = k ).
Níže je uvedeno 18 známých příkladů [9] .
m Hadamardova matice je m × m matice H s prvky rovnými ±1 tak, že HH ⊤ = m E m , kde H ⊤ se rovná transponované matici H a E m je matice identity m × m . Hadamardova matice může být zapsána ve standardním tvaru (tj. redukována na ekvivalentní Hadamardovu matici), ve které první řádek a první sloupec tvoří +1. Pokud je velikost m > 2, musí být m dělitelné 4.
Dáme-li Hadamardovu matici velikosti 4a ve standardním tvaru, vymažte první řádek a první sloupec a nahraďte všechny prvky −1 0. Výsledkem je matice M skládající se z 0 a 1, což je incidenční matice symetrická k 2- (4 a − 1 , 2 a − 1, a − 1) schémata. Toto schéma se nazývá Hadamardovo 2-schéma [15] . Diagram obsahuje bloky, z nichž každý obsahuje body, a body, které jsou obsaženy v blocích. Každá dvojice bodů je obsažena přesně v blocích.
Konstrukce je reverzibilní a incidenční matici symetrického 2-obvodu s těmito parametry lze použít k vytvoření Hadamardovy matice velikosti 4a .
Rozhodnutelné 2-schéma je BIBD, jehož bloky mohou být rozděleny do sad (nazývaných paralelní třídy ), z nichž každá tvoří bod rozdělující sekci BIBD. Sada paralelních tříd se nazývá rozlišení schémat .
Pokud má 2-( v , k ,λ) řešitelný obvod c paralelních tříd, pak b ≥ v + c − 1 [16] .
Proto symetrický obvod nemůže mít netriviální (více než jedna paralelní třída) rozlišení [17] .
Archetypální rozhodnoutelná 2-schéma jsou konečné projektivní roviny . Řešením slavného Kirkmanova problému o školačkách je řešení schématu 2-(15,3,1) [18] .
Při jakémkoli kladném čísle t je t - schéma B třídou k -prvkových podmnožin X , nazývaných bloky , takže jakýkoli bod x z X se objeví v přesně r blocích a jakákoli t -prvková podmnožina T je obsažena přesně v λ bloky . Čísla v (počet prvků v X ), b (počet bloků), k , r , λ a t slouží jako parametry obvodu . Schéma lze nazvat t -( v , k ,λ)-schéma. Tato čtyři čísla opět určují b a r a samotná čtyři čísla nemohou být zvolena libovolně. Rovnosti, které je spojují
,kde λ i je počet bloků, které obsahují libovolnou i -prvkovou sadu bodů.
Všimněte si toho .
Věta : [19] Libovolné t -( v , k ,λ) -schéma je také s -( v , k ,λs )-schéma pro libovolné číslo s za předpokladu 1 ≤ s ≤ t . (Všimněte si, že "hodnota lambda" se liší jako výše a závisí na s .)
Důsledkem této věty je, že každé t - schéma s t ≥ 2 je také 2 schéma.
Obvod t -( v , k ,1) se nazývá Steinerův systém .
Samotný termín blokové schéma obvykle zahrnuje 2-diagram.
Nechť D = ( X , B ) je obvod t-( v , k , λ ) a nechť p je bod X . Odvozený obvod D p má množinu bodů X − { p } a jako množinu bloků všechny bloky D , které obsahují p a ve kterých je bod p odstraněn. Tento obvod je obvod ( t − 1)-( v − 1, k − 1, λ ). Všimněte si, že generované obvody pro různé body nemusí být izomorfní. Schéma E se nazývá rozšíření schématu D , pokud E má bod p takový, že Ep je izomorfní k D . D nazýváme rozšiřitelné , pokud má schéma rozšíření.
Věta : [20] Jestliže schéma t -( v , k , λ ) má rozšíření, pak k + 1 dělí b ( v + 1).
Prodloužitelné projektivní roviny (symetrická schémata 2-( n 2 + n + 1, n + 1, 1)) jsou pouze ty, jejichž řády jsou 2 a 4 [21] .
Jakékoli 2-Hadamardovo schéma je rozšiřitelné (až do 3-Hadamardova schématu ) [22] .
Věta : [23] Je-li D , symetrický 2-( v , k ,λ) obvod rozšiřitelný, jedna z:
Všimněte si, že projektivní rovina řádu dva je Hadamardovo 2-schéma. Projektivní rovina řádu čtyři má parametry, které spadají pod Případ 2. Další známá symetrická 2-schémata s parametry z Případu 2 jsou biplanární geometrie řádu 9, ale žádná z nich není rozšiřitelná. Symetrická 2-schémata s parametry případu 3 nejsou známa [24] .
Kruhová rovinaSchéma s parametry rozšíření afinní roviny , tj. schéma 3-( n 2 + 1, n + 1, 1), se nazývá konečná kruhová rovina nebo Möbiova rovina řádu n .
Je možné podat geometrický popis některých kruhových rovin, ba dokonce všech známých kruhových rovin. Vejce v PG(3, q ) je množina q 2 + 1 bodů, z nichž žádné tři nejsou kolineární. Lze ukázat, že libovolná rovina (která je nadrovinou v dimenzi 3) v PG(3, q ) protíná vejcovod O buď v jednom bodě, nebo v q + 1 bodech. Průsečíky ovoidu O velikosti q + 1 rovinou jsou bloky kruhové roviny řádu q . Každá takto získaná kruhová rovina se nazývá vejčitá . Všechny známé kruhové roviny jsou vejčité.
Příkladem ovoidu je eliptická kvadrika , množina nul kvadratického tvaru
x 1 x 2 + f ( x 3 , x 4 ),kde f je ireducibilní kvadratická forma ve dvou proměnných nad GF( q ). [ f ( x , y )= x2 + xy + y2 , například ] .
Je-li q lichá mocnina 2, je znám další typ vejcoidu, Suzuki-Tits ovoid .
Věta . Nechť q je kladné celé číslo alespoň 2. (a) Je-li q liché, jakýkoli vejcovod je projektivně ekvivalentní eliptické kvadrice v projektivní geometrii PG(3, q ), takže q je mocnina prvočísla a existuje jedinečná vejcovitá kruhová rovina řádu q ( (b) je-li q sudé, pak q je mocnina 2 a jakákoliv kruhová rovina řádu q je vejcovitá (možná existují nějaké neznámé vejcovody).
Schéma relací třídy n se skládá z množiny X o velikosti v spolu s rozdělením S množiny X × X na n + 1 binárních relací R 0 , R 1 , ..., R n . Říká se, že dvojice prvků je ve vztahu R i (prvky i - kombinované ). Každý prvek z X má n i i -té kombinace. Kromě:
Kombinační schéma je komutativní , jestliže pro všechna i , j a k . Většina autorů tuto vlastnost předpokládá.
Částečně vyvážený neúplný blokový diagram s n kombinačními třídami (PBIBD( n )) je blokový diagram založený na množině X s v prvky, z nichž každý má b bloků po k prvků, ve kterých se každý prvek vyskytuje v r blocích a pro které existuje je kombinační schéma s n třídami definovanými na X , přičemž pokud se prvky x a y i -kombinují pro 1 ≤ i ≤ n , pak jsou společně obsaženy v přesně λi blocích .
PBIBD( n ) definuje kombinační schéma, ale opak neplatí [25] .
Nechť A (3) jsou kombinační schémata se třemi třídami na množině X = {1,2,3,4,5,6}. Hodnota prvku tabulky ( i , j ) je rovna s , jestliže prvky i a j jsou ve vztahu R s .
jeden | 2 | 3 | čtyři | 5 | 6 | |
---|---|---|---|---|---|---|
jeden | 0 | jeden | jeden | 2 | 3 | 3 |
2 | jeden | 0 | jeden | 3 | 2 | 3 |
3 | jeden | jeden | 0 | 3 | 3 | 2 |
čtyři | 2 | 3 | 3 | 0 | jeden | jeden |
5 | 3 | 2 | 3 | jeden | 0 | jeden |
6 | 3 | 3 | 2 | jeden | jeden | 0 |
Bloky PBIBD(3) založené na A (3):
124 | 134 | 235 | 456 |
125 | 136 | 236 | 456 |
Parametry tohoto PBIBD(3) jsou: v = 6, b = 8, k = 3, r = 4 a λ 1 = λ 2 = 2 a λ 3 = 1. Také pro schéma vztahů máme n 0 = n 2 = 1 an 1 = n 3 = 2. [26]
Parametry PBIBD( m ) splňují rovnosti: [27]
PBIBD(1) je BIBD, PBIBD(2) kde λ 1 = λ 2 je také BIBD [28] .
Schémata PBIBD(2) byla nejvíce studována pro svou jednoduchost a užitečnost [29] . Spadají do šesti typů [30] , založených na Bose a Shimamotově klasifikaci tehdy známých schémat PBIBD(2): [31] [32]
Matematický předmět vývojových diagramů vznikl jako statistický základ pro návrh experimentu . Schémata byla zvláště užitečná v aplikacích techniky analýzy rozptylu (ANOVA) . Tato oblast zůstává nezbytnou součástí použití blokových diagramů.
Zatímco biologické aplikace byly zdrojem, schémata se používají v mnoha jiných oblastech, kde se provádějí systematická srovnání, jako je testování softwaru .
Incidenční matice vývojového diagramu poskytuje přirozený zdroj zajímavých blokových kódů , které se používají jako kódy pro opravu chyb . Řádky incidenční matice se také používají jako symboly v pulzně-fázové modulaci [33] .
Předpokládejme, že výzkumníci rakoviny kůže chtějí testovat tři různé opalovací krémy. Aplikují dva různé krémy na horní strany rukou subjektů. Po vystavení ultrafialovému světlu zaznamenávají míru podráždění pokožky ve smyslu spálení. Počet ošetření je 3 (počet krémů), velikost bloku je 2 (počet rukou na osobu).
Odpovídající schéma BIBD lze získat jako R-function design.bib R-package agricolae a je definováno v následující tabulce:
Zkušenost | Blok | Léčba |
---|---|---|
101 | jeden | 3 |
102 | jeden | 2 |
201 | 2 | jeden |
202 | 2 | 3 |
301 | 3 | 2 |
302 | 3 | jeden |
Řešitel zvolí pro blokové schéma parametry v = 3 , k = 2 a λ = 1 , které jsou dosazeny do R-funkce. Zbývající parametry b a r jsou určeny automaticky.
Pomocí základních poměrů vypočítáme, že potřebujeme b = 3 bloky, tedy 3 subjekty, abychom dostali vyvážený neúplný vývojový diagram. Označením bloků A , B a C , abychom se nepletli, dostaneme blokové schéma,
A = {2, 3 }, B = {1, 3 } a C = {1, 2 }.Odpovídající matice výskytu je uvedena v tabulce:
Léčba | Blok A | Blok B | Blok C |
---|---|---|---|
jeden | 0 | jeden | jeden |
2 | jeden | 0 | jeden |
3 | jeden | jeden | 0 |
Každá úprava je obsažena ve 2 blocích, takže r = 2 .
Pouze jeden blok ( C ) obsahuje ošetření 1 a 2 současně a totéž platí pro dvojice ošetření (1,3) a (2,3). Proto λ=1 .
V tomto příkladu není možné použít celý režim (všechna ošetření v každém bloku), protože na subjekt jsou 3 krémy a pouze 2 ruce.