Лемма Бёрнсайда и Теорема Пойа

2014-01-06T21:57:56Z

95.55.99.95:

Иногда требуется провести подсчет комбинаторных объектов с точностью до некоторого отношения эквивалетности.
Если это отношение является отношением "с точностью до действия элементом группы", то такой подсчет можно провести
с помощью Леммы Бернсайда.

{{Определение
|definition=
Пусть группа <tex>G</tex> действует на множество <tex>X</tex>. '''Неподвижной точкой''' (стабилизатором) для элемента <tex>g</tex> называется такой элемент <tex>x</tex>,
для которого <tex>gx=x</tex>.
}}

== Лемма Бёрнсайда ==

{{Лемма
|id=lemmaBerns.
|author=Бёрнсайд
|statement=Пусть группа <tex>G</tex> действует на множество <tex>X</tex>. Будем называть два элемента <tex>x</tex> и <tex>y</tex> эквивалентными, если <tex>x = gy</tex> для некоторого <tex>g \in G</tex>. Тогда число классов эквивалентности равно сумме числа стабилизаторов по всем элементам группы <tex>G</tex>, делённой на размер этой группы:

<tex> |C| = </tex> <tex dpi = "180">\frac{1} {|G|}</tex><tex>\sum\limits_{k \in G}I(k)</tex>. Где <tex>I(k)</tex> {{---}} количество стабилизаторов для элемента <tex>k</tex>.
|proof=
Так как <tex>I(k)</tex> - сумма стабилизаторов элемента <tex>k</tex>, то по определению <tex>\sum\limits_{k \in G}I(k) = |\{(x, g) \in G\times X \mid g\cdot x = x\}|</tex>.

Следовательно для доказательства леммы необходимо и достаточно доказать следующее равенство:
<tex>|C|\cdot|G| = |\{(x, g) \in G\times X \mid g\cdot x = x\}|</tex>

Рассмотрим правую часть равенства:
<tex>|\{(x, g) \in G\times X \mid g\cdot x = x\}| = \sum\limits_{x \in X} |G_x| = \sum\limits_{x \in X}</tex><tex dpi = "180"> \frac{|G|}{|Gx|}</tex><tex> = |G| \sum\limits_{x \in X}</tex><tex dpi = "180">\frac{1}{|Gx|} </tex>
<tex>= |G|\sum\limits_{P\in C}\sum\limits_{x\in P}</tex><tex dpi = "180"> \frac{1}{|P|}</tex>

Заметим, что <tex>\sum\limits_{x\in P}</tex><tex dpi = "180"> \frac{1}{|P|}</tex><tex> = </tex><tex dpi = "180"> \frac{1}{|P|}</tex><tex>\sum\limits_{1}^{|P|}{1} = 1.</tex> Следовательно:

<tex>|G|\sum\limits_{P\in C}\sum\limits_{x\in P}</tex><tex dpi = "180"> \frac{1}{|P|}</tex><tex> = |G|\sum\limits_{P\in C} 1</tex>.

Очевидно, что <tex>\sum\limits_{P\in C} 1 = \sum\limits_{1}^{|C|}{1} = |C|.</tex> Тогда получим:

<tex>|G|\sum\limits_{P\in C} 1 = |C|\cdot|G|.</tex>

Откуда следует, что

<tex>\sum\limits_{k \in G}I(k) = |C|\cdot|G|.</tex> ч.т.д.

}}

== Теорема Пойа ==

Теорема Пойа является обобщением теоремы Бёрнсайда. Она также позволяет находить количество классов эквивалентности, но уже используя такую величину, как кол-во циклов в перестановке.
В основе доказательства теоремы Пойа лежит лемма Бёрнсайда.

{{Теорема
|id=teorPo.
|author=Пойа
|statement= <tex> C =</tex> <tex dpi = "180"> \frac{1} {|G|}</tex><tex>\sum\limits_{k \in G} l^{P(k)}</tex> ,где <tex>C</tex> {{---}} кол-во различных классов эквивалентности, <tex>P(k)</tex> - кол-во циклов в перестановке <tex>k</tex>, <tex>l</tex> {{---}} кол-во различных состояний одного элемента.
|proof=Для доказательства этой теорем достаточно установить следующее равенство
<tex>I(k) = l^{P(k)}</tex>

Рассмотрим некоторую перестановку <tex>k</tex> и некоторый элемент <tex>f</tex>. Под действием перестановки <tex>k</tex> элементы <tex>f</tex> передвигаются, как известно, по циклам перестановки. Заметим, что так как в результате должно получаться <tex>fk = f</tex>, то внутри каждого цикла перестановки должны находиться одинаковые элементы <tex>f</tex>. В то же время, для разных циклов никакой связи между значениями элементов не возникает. Таким образом, для каждого цикла перестановки <tex>k</tex> мы выбираем по одному значению, и, тем самым, мы получим все представления <tex>f</tex>, инвариантные относительно этой перестановки, т.е.:
<tex>I(k) = l^{P(k)}</tex>
}}

==Задача о числе раскрасок прямоугольника==
{{Определение
|definition=Выведите формулу для числа раскрасок прямоугольника <tex>[n \times m]</tex> в <tex>k</tex> цветов с точностью до отражения относительно горизонтальной и вертикальной оси.
}}
Решим данную задачу, воспользуясь леммой Бёрнсайда.

'''Решение'''

Для начала определим, какие операции определены на группе <tex>G</tex> {{---}} это операция "отражение относительно горизонтальной оси", обозначим ее как <tex>\alpha</tex>, и "отражение относительно вертикальной оси" {{---}} <tex>\beta</tex>.
Таким образом, <tex>G</tex> содержит 4 комбинации операций: <tex>G = \{e, \alpha, \beta, \alpha \circ \beta \}</tex>.

Стоит уделить особое внимание тому факту, что никакие иные комбинации функций <tex>\alpha</tex> и <tex>\beta</tex> не были включены в <tex>G</tex>. Это объясняется довольно просто: очевидно то, что операции коммутативны, то есть <tex>\alpha \circ \beta = \beta \circ \alpha</tex>, а также то, что <tex>\alpha \circ \alpha = \beta \circ \beta = e</tex>, тогда любая комбинация данных функций может быть упрощена до вышеперечисленных (в <tex>G</tex>) путем совмещения одинаковых и замены их на <tex>e</tex>.

Отметим также то, что количество раскрасок прямоугольника <tex>[m \times n]</tex> в <tex>k</tex> цветов:
:1. С точностью до операции <tex>\alpha</tex> при нечетном <tex>m</tex> равно количеству раскрасок прямоугольника <tex>[m-1 \times n]</tex> в <tex>k</tex> цветов.
:2. С точностью до операции <tex>\beta</tex> при нечетном <tex>n</tex> равно количеству раскрасок прямоугольника <tex>[m \times n-1]</tex> в <tex>k</tex> цветов.
:3. С точностью до операции <tex>\alpha \circ \beta</tex> при нечетных <tex>n</tex> и <tex>m</tex> равно количеству раскрасок прямоугольника <tex>[m-1 \times n-1]</tex> в <tex>k</tex> цветов (а также частные случаи, когда <tex>n</tex> или <tex>m</tex> нечетные).
Данное множество фактов объясняется тем, что мы можем как бы "слить" вместе два столбика (и\или) столбца, при этом с точностью до нужного действия количество раскрасок не уменьшится.

Количество стабилизаторов в случае с действием <tex>e</tex> равно <tex>k^{nm}</tex>, так как ни одна раскрашенная клетка не повторилась при действии нулевого действия. Для действий <tex>\alpha</tex> и <tex>\beta</tex> количество раскрасок будет <tex>k^{\lceil \frac{m}{2} \rceil n}</tex> и <tex>k^{{\lceil {\frac{n}{2}} \rceil}m}</tex> соответственно.

Тогда воспользуемся Леммой Бёрнсайда и определим количество таких раскрасок.

:<tex dpi = "180"> |C| = </tex> <tex>\frac{1} {|G|}</tex><tex>\sum\limits_{k \in G}I(k) = \frac{I_1 + I_2 + I_3 + I_4}{4} = </tex>
:<tex dpi = "180"> = \frac{k^{nm}+k^{\lceil \frac{m}{2} \rceil n} + k^{{\lceil {\frac{n}{2}} \rceil}m} + k^{{\lceil {\frac{n}{2}} \rceil}{\lceil \frac{m}{2} \rceil}}}{4}</tex>

==См. также==
* [http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D0%9A%D1%8D%D0%BB%D0%B8 Теорема Кэли]
* [http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0_%D0%BE%D0%B1_%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%8F%D1%85 Задача об Ожерельях]

==Cсылки==
*[http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%BC%D0%BC%D0%B0_%D0%91%D1%91%D1%80%D0%BD%D1%81%D0%B0%D0%B9%D0%B4%D0%B0 Лемма Бёрнсайда]
*[http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D0%9F%D0%BE%D0%B9%D0%B0 Теорема Пойа]

[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Комбинаторика]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Лемма Бёрнсайда и Теорема Пойа