Просмотр исходного текста страницы Умножение перестановок, обратная перестановка, группа перестановок

==Умножение перестановок==

{{Определение
|definition=
'''Умножением''' (англ. ''multiplication'') или '''композицией''' (англ. ''composition'') перестановок, представленных в виде целочисленных функций <tex> a_i </tex>, где <tex>i - </tex> позиция элемента, а <tex> a_i </tex> — его номер, называется перестановка, получаемая по следующему правилу:

<tex> (ab)_i = b_{a_i} </tex>

}}

{{Утверждение
|statement=
Умножение перестановок ассоциативно:

<tex> (a(bc))_i = ((ab)c)_i </tex>

|proof=

Доказывается простым раскрытием скобок.

# <tex> (a(bc))_i = (bc)_{a_i} = c_{b_{a_i}} </tex>
# <tex> ((ab)c)_i = c_{(ab)_i} = c_{b_{a_i}} </tex>

}}

Перед прочтением примера перемножения перестановок рекомендуем познакомиться с циклами в данной статье: [[Действие перестановки на набор из элементов, представление в виде циклов]]

===Пример===

<tex> a = {2, 5, 6, 3, 1, 4} = (1, 2, 5)(3, 6, 4) </tex>

<tex> b = {4, 1, 3, 6, 5, 2} = (1, 4, 6, 2) </tex>

<tex> ab = {a_4, a_1, a_3, a_6, a_5, a_2} = {3, 2, 6, 4, 1, 5} </tex>

или

<tex> ab = (1, 2, 5)(3, 6, 4)(1, 4, 6, 5) = (1, 3, 6, 5)(2)(4) = (1, 3, 6, 5) </tex>

==Обратная перестановка==

{{Определение
|definition=

'''Обратной перестановкой''' (англ. ''inverse permutation'') <tex> a^{-1} </tex> к перестановке <tex> a </tex> называется такая перестановка, что:

<tex> (a^{-1}a)_i = (aa^{-1})_i = i </tex>

}}

{{Утверждение
|statement=
Для каждой перестановки существует перестановка, обратная ей.
|proof=
Пусть дана перестановка <tex> a </tex>, построим обратную ей перестановку <tex> a^{-1}</tex>: если <tex> a_x = y </tex>, то <tex> a^{-1}_y = x </tex>. Очевидно, что данная перестановка является обратной к <tex> a </tex>.

}} 

Также обратная перестановка единственна. Это следует из того, что для каждой <tex> i </tex>-ой позиций в исходной перестановке однозначно определяется <tex> j </tex>-ая позиций в обратной перестановке, значение которой есть <tex> i </tex>

{{Определение
|id = def_involution
|definition=
Перестановка, равная своей обратной, называется '''инволюцией''' (англ. ''involution''):

<tex> a_i = a^{-1}_i \Rightarrow (aa ^{-1})_i = (aa)_i = a_{a_i} = i </tex>, то есть её представление в виде циклов не содержит цикла, размер которого больше двух.

}}

{{Утверждение
|statement=
Количество инволюционных перестановок длины <tex>n\geqslant 2 </tex> может быть получено по формуле: <tex> I(n) = I(n-1)+(n-1)\cdot I(n-2) </tex>, где <tex> I(0) = I(1) = 1. </tex>
|proof=
Докажем формулу по '''индукции'''. '''Базой''' являются <tex> I(0) = I(1) = 1 </tex>. '''Предположим''', что для всех <tex> I(i) </tex>, где <tex> i < n</tex>, <tex> n > 1 </tex>, формула верна. Рассмотрим перестановку длины <tex> n </tex> и попробуем найти количество инволюций этой длины. Существует <tex> I(n-1)</tex> инволюций, при <tex>a_n = n </tex> (у которых последний элемент представляет собой цикл длины <tex> 1 </tex>), а число инволюций длины <tex> n </tex>, содержащих в своём представлении в виде циклов цикл <tex>(j,n)</tex>, где <tex> 1\leqslant j\leqslant n-1 </tex>, <tex> (n-1)\cdot I(n-2)</tex> (так как при фиксированных <tex> j </tex> и <tex> n </tex> имеем <tex> I(n-2) </tex> перестановок оставшихся элементов, которые не нарушают свойств инволюции). Таким образом, <tex> I(n) = I(n-1)+(n-1)\cdot I(n-2). </tex>

}}

{{Определение
|definition=

Перестановка, содержащая чётное количество инверсий, называется '''чётной''' (англ. ''even permutation''), в противном случае <tex> - </tex> '''нечётной''' (англ. ''odd permutation'').

}}

{{Определение
|definition=

Перестановка, меняющая местами только два элемента, называется '''транспозицией''' (англ. ''transposition''). 

}}

{{Лемма|id=lemma1
|statement=

Если в перестановке, длина которой больше <tex>1</tex>, поменять местами <tex> 2 </tex> элемента, то её четность изменится.

|proof= 

Для элементов, стоящих рядом, истинность утверждения очевидна: их взаимное расположение относительно других элементов не изменилось, а транспозиция этих чисел изменяет количество инверсий на единицу. Пусть теперь между перемещаемыми элементами <tex> a </tex> и <tex> b </tex> находятся <tex> d </tex> элементов, то есть перестановка имеет вид:  <tex>  \ldots </tex>     ,    <tex>  a, s_1, s_2, \ldots, s_d, b, \ldots </tex>. Сначала поменяем последовательно  <tex> a </tex> с числами <tex> s_1, s_2, \ldots, s_d, b </tex>, а затем число <tex>b</tex> с рядом стоящими <tex> s_d, s_d-1, \ldots, s_1 </tex>. В итоге мы выполним <tex> 2\cdot d + 1 </tex> транспозиций рядом стоящих элементов, то есть чётность перестановки изменится.
}}

===Получение обратной перестановки===

Пусть в массиве <tex> p </tex> содержится перестановка, длины <tex> n </tex>, тогда после выполнения алгоритма в массиве <tex> rep </tex> будет содержаться перестановка, обратная ей.
 '''fun''' reversePerm(p : '''int[]''', rep : '''int[]''')
   '''for''' i = 1 '''to''' n
       rep[p[i]] = i;

==Группа перестановок==

{{Определение
|definition=
'''Группой''' (англ. ''group'') называется множество <tex> M </tex> с заданной на нём бинарной операцией <tex> \circ: МM\times M \longrightarrow M</tex>, удовлетворяющей следующим свойствам:

# <tex> (g_1 \circ g_2) \circ g_3 = g_1 \circ (g_2 \circ g_3) </tex> — ассоциативность соответствующей бинарной операции.
# Существование нейтрального элемента <tex> e </tex> относительно операции <tex> \circ </tex>, такого, что для любого <tex> g \in M: g \circ e = e \circ g = g </tex>
# Для любого <tex> g \in M </tex>существует <tex> g^{-1} \in M</tex> называемый обратным элементом, такой, что <tex>: g \circ g^{-1} = g^{-1} \circ g = e </tex>

}}

{{Утверждение
|statement=
Множество перестановок с <tex> n </tex> элементами с операцией умножения является группой (часто группу перестановок называют '''симметрической''' (англ. ''symmetric group''), и обозначают <tex> S_n </tex>).
|proof=
Свойства <tex>1</tex> и <tex>3</tex> (ассоциативность умножения и существование обратной перестановки для любой из перестановок) доказаны выше, а в качестве нейтрального элемента выступает тождественная перестановка (<tex> \pi_i = i </tex>). 
}}

Мощность симметрической группы: <tex>\left\vert S_n \right\vert = n!</tex>

[[Теорема Кэли]] утверждает, что любая конечная группа изоморфна подгруппе некоторой группе перестановок.

==Группа чётных перестановок==

{{Определение
|definition=
'''Группа чётных перестановок''' (англ. ''alternating group'') <tex> A_n </tex> является подгруппой симметричной группы перестановок, образованной всеми чётными перестановками. Композиция не выводит из группы, так как если представить каждую перестановку группы в виде чётного числа транспозиций и перемножить их, чётность не изменится.
}} 

{{Утверждение
|statement=
Количество чётных перестановок длины <tex> n </tex> равно количеству нечётных и равно <tex> \dfrac{n!}{2} </tex>
|proof=
Пусть число число чётных перестановок  <tex> - </tex>  <tex> a</tex>, а нечётных <tex> - </tex>  <tex> b </tex>. Сделаем транспозицию <tex> (1, 2) </tex> для всех чётных перестановок. Получим <tex> a </tex> нечётных различных перестановок, то есть <tex> a\leqslant b </tex>. Проделаем то же самое с нечётными перестановками. Получим, что <tex> b\leqslant a </tex>, то есть <tex> a = b </tex> и <tex> a = \dfrac{n!}{2} </tex>.
}}

==Группа подстановок==

{{Определение
|definition=
'''Подстановкой''' (англ. ''substitution'') называется всякое взаимно однозначное отображение <tex> A </tex> множества первых <tex>n</tex> натуральных чисел на себя.  

}}

Всякая подстановка <tex>A</tex> может быть записана при помощи двух перестановок, подписанных одна под другой:

<tex> A = \begin{pmatrix} q_1 & q_2 & \ldots & q_n \\ a_{k_1} & a_{k_2} & \ldots & a_{k_n} \end{pmatrix} </tex>

Где через <tex> a_{k_i} </tex> обозначается то число, в которое при подстановке <tex> A </tex> переходит число <tex> q_i </tex>.

{{Определение
|definition=
'''Группой подстановок''' (англ. ''group of substitutions'') называется некоторая совокупность подстановок, замкнутая относительно композиции отображений, определяющей бинарную операцию для подстановок на одном и том же множестве.

}}

==См. также==
*[[Теорема Кэли]]
*[[Действие перестановки на набор из элементов, представление в виде циклов]]

==Источники информации==
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Involution_(mathematics) Wikipedia {{---}} Involution]


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