Кіріспе

Математикалық мәселе
Комбинаторлық математикада, егер бірдей өлшемді (ретті) екі латын квадратын бір-біріне қойғанда, олардың орналасқан жерлеріндегі реттелген жұп жазуларының барлығы әртүрлі болса, онда олар ортогоналды деп аталады. Барлығы бірдей ретті латын квадраттарының жиынтығы, егер олардың кез келген екі жұбы ортогоналды болса, өзара ортогоналды латын квадраттарының жиынтығы деп аталады. Комбинаторикадағы ортогоналдылық тұжырымы статистикадағы блоктау тұжырымымен тығыз байланысты, ол тәуелсіз айнымалылардың жасырын шатастыратын корреляцияларсыз шын мәнінде тәуелсіз болуын қамтамасыз етеді. Сондықтан "ортогоналды" сөзі "тәуелсіз" сөзімен мағынасы бірдей, себебі бір айнымалының мәнін білу екінші айнымалының мүмкін мәні туралы қосымша ақпаратты бермейді. Ортогоналды латын квадраттарының жұбын атау үшін ескі термин – грек-латын квадраты, ол көне әдебиеттерде кездеседі.

Грек-латын квадраттары

Грек-латын квадраты немесе Эйлер квадраты немесе n реттік ортогональді латын квадраттарының жұбы S және T екі жиынтығынан (олар бірдей болуы мүмкін) тұрады, әрқайсысы n символдан тұрады. Бұл n × n ұяшықтардан тұратын орналасу, әр ұяшықта реттелген жұп (s, t) болады, мұнда s жиынтығы S-де, ал t жиынтығы T-де. Әр қатар мен әр бағанда S жиынтығының және T жиынтығының әрбір элементі дәл бір рет келуі керек, сондай-ақ екі ұяшықта бірдей реттелген жұп болмайды. s координаттарының (оларды латын әріптері деп қарастыруға болады) және t координаттарының (грек әріптері) орналасуы әрқайсысы латын квадратын құрайды. Сондықтан грек-латын квадратын екі ортогональді латын квадратына жіктеуге болады. Мұндағы ортогональдық – S × T декарт көбейтіндісінен алынған әрбір (s, t) жұбы дәл бір рет кездеседі дегенді білдіреді. Ортогональді латын квадраттарын Леонхард Эйлер жан-жақты зерттеді, ол екі жиынтықты 1=S = {A, B, C, …} – латын әліпбиінің алғашқы n үлкен әріптері, ал 1=T = {α, β, γ, …} – грек әліпбиінің алғашқы n кіші әріптері деп қарастырды, соның салдарынан бұл квадратқа грек-латын квадраты деген ат берілді.

Тіршілік ету

Грек-латын квадраты екі ортогональды латын квадраттарының жұбы ретінде қарастырылғанда, әр латын квадратының ортогональды серігі бар делінеді. Кез келген латын квадратында әр қатарда және әр бағанда бір элементтен таңдалған, барлық элементтері әртүрлі жиын, сол квадраттың көлденеңі деп аталады. Грек-латын квадратындағы бір белгіні қарастырайық. Бұл белгіні қамтитын орындардың бәрі әртүрлі қатарлар мен бағандарда болуы керек, сондай-ақ осы орындардағы екінші белгілер де әртүрлі болуы керек. Осылайша, екі латын квадраттарының жұбы ретінде қарастырылғанда, бірінші квадраттағы бір белгіні қамтитын орындар екінші квадраттағы көлденеңге сәйкес келеді (және керісінше). n ретті латын квадратының ортогональды серігі бар, егер және тек қана егер оның n бөлек көлденеңі болса. Жұп таңбалы топтың (шекарасыз) Кейли кестесі ортогональды серігі бар латын квадратын құрайды.

Шекті өрістің құрылысы

MOLS(q) толық жиынтығы q – жай сан немесе жай санның дәрежесі болғанда ғана болады. Бұл GF(q) шекті өрісіне негізделген құрылымнан туындайды, ал GF(q) өрісі тек q – жай сан немесе жай санның дәрежесі болғанда ғана бар. GF(q) өрісінің көбейту тобы циклдік топ болып табылады, сондықтан оның генераторы λ болады, яғни өрістің нөлдік емес барлық элементтерін λ-ның әртүрлі дәрежелері арқылы көрсетуге болады. GF(q) өрісінің q элементін келесідей белгілейік: α0 = 0, α1 = 1, α2 = λ, α3 = λ2, …, αq-1 = λq-1. Мұнда λq-1 = 1 және α-лардың көбейтіндісі αiαj = αt теңдігі орындалады, мұндағы t = i + j – 1 (mod q – 1). Латын квадраттары келесідей құрылады: латын квадраты Lr (r ≠ 0) үшін (i, j)-інші элемент Lr(i,j) = αi + αrαj болады, мұндағы барлық амалдар GF(q) өрісінде орындалады. Егер өріс жай өріс болса (q = p, мұнда p – жай сан), және өріс элементтері әдеттегідей p модулі бойынша бүтін сандар ретінде көрсетілсе, онда жоғарыдағы белгілеулерді қолданудың қажеті жоқ, ал құрылым ережесін Lr(i,j) = i + rj түрінде оңайлатуға болады, мұнда r ≠ 0 және i, j, r – GF(p) өрісінің элементтері, ал барлық амалдар GF(p) өрісінде орындалады. Жоғарыда келтірілген MOLS(4) және MOLS(5) мысалдары осы құрылымнан туындады, бірақ әліпби өзгертілді. Барлық MOLS толық жиынтықтары осы құрылымнан туындамайды. Осы өріс құрылымынан алынған MOLS толық жиынтығымен байланысты проекциялық жазықтық – ерекше типтегі, яғни Дезаргстік проекциялық жазықтық. Дезаргстік емес проекциялық жазықтықтар да бар, және оларға сәйкес MOLS толық жиынтықтарын шекті өрістерден алу мүмкін емес.

Граф теориясы

k MOLS(n) жиыны, толық (k+2) бөлікті графиктің (Kn,n) k+2 реттік толық субграфиктерге бөлінуімен эквивалентті.

Қолданбалар

Өзара ортогональді латын квадраттарының қолданылу салалары өте кең. Олар эксперименттерді статистикалық жобалауда, турнир кестелерін жасауда, қателерді түзету және анықтау кодтарында құрылымдарды салу үшін бастапқы нүкте ретінде пайдаланылады. Эйлердің грек-латын квадраттарына деген қызығушылығы, сиқырлы квадраттар құруға деген ниетінен туындаған. Француз жазушысы Жорж Перек өзінің 1978 жылғы "Өмір: Қолданушы нұсқаулығы" романын 10×10 грек-латын квадраты негізінде құрастырған.