置換,群論初探

_君の名は發表於2024-11-04

寫的不好別D啊,算是一些知識的歸納(雖然也是看的別人的學的吧


群論

仙姑

置換

置換與排列

對於一個集合 \(D\) ,其大小為 \(|D|\),而排列是指這 \(|D|\) 個元素按照某種規定按一定順序進行重新組成。而置換是指對這 \(|D|\) 個元素重新排列,不同元素之間交換位置,從而形成新的排列。同時,集合 \(D\) 可以形成的置換數目為 \(|D|!\),注意 0!=1,指空集合只有一個置換,即為空置換。

置換的表示

置換用符號 \(\sigma\) 表示,例如對於排列1,2,3,4,5,6,其一個置換為 \(\sigma=364152\),其中 \(\sigma(1)=3,\sigma(2)=6...\sigma(6)=2\)。常表示為\(\sigma=\begin{pmatrix}x_1&x_2&\cdots&x_n\\x_{p_1}&x_{p_2}&\cdots&x_{p_n}\end{pmatrix}.\),這實際上就是有限集 \(X\)在自身上的雙射,而一個集合上的置換在函式合成運算下構成一個群,稱為對稱群。對稱群的一個n元子群是n元置換群,這裡不過多敘述。

輪換分解

還有一種表示方法叫輪換分解,具體方法看oi-wiki,不寫了,像上面提到的例子可以輪換表示為 \(\sigma=(134)(26)(5)=(134)(26)\) ,每一對括號中,都是一個輪換。括號中的元素個數,稱為對應輪換的長度。實踐中,常常省略掉長度為一的輪換。恆等變換中所有的輪換長度都是一,常常記作 \((1)\) 而不是全部省略

置換的輪換分解由於其特殊的迴圈性質,導致其可以清晰的用幾何表示,將置換中的一組數 \((x,\sigma(x))\) 看作一條邊,則整個置換便是由若干個不相交的環構成的,每一個環就代表了一個輪換。任何置換都可以寫成一系列對換的乘積,我們考慮一下一次對換對輪換的影響。

1:兩個元素屬於同一輪換:
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2:兩個元素屬於不同輪換:
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從上圖可知,一次對換會使置換的輪換數變化 \(1\),這也證明了一次對換必定改變置換的奇偶性

置換的乘法

就是置換的複合,即如果有兩個置換

\[f=\begin{pmatrix}x_1&x_2&\cdots&x_n\\ x_{p_1}&x_{p_2}&\cdots&x_{p_n}\end{pmatrix},\ g=\begin{pmatrix}x_{1}&x_2&\cdots&x_{n}\\ x_{q_1}&x_{q_2}&\cdots&x_{q_n}\end{pmatrix} \]

那麼他們的乘積為

\[f\circ g=\begin{pmatrix}x_1&x_2&\cdots&x_n\\ x_{q_{p_1}}&x_{q_{p_2}}&\cdots&x_{q_{p_n}}\end{pmatrix}\]

置換的性質

奇偶性

置換分解成一系列對換的方式不是唯一的(畢竟只考慮結果,過程很多樣),但分解出來的對換的個數的奇偶性是相同的,可以用上面的那個結論證明。而一個置換的對換分解的數目的奇偶性就是置換的奇偶性。

一個快速判斷置換奇偶性的式子,設 \(n\) 個元素做輪換分解後有 \(k(\sigma)\) 個輪換,則置換 \(\sigma\) 的奇偶性與 \(n-k(\sigma)\) 相同。

\(n>=2\) 時,\(n\) 元置換群中奇置換和偶置換數目相等

證明:我們設\(S_n\)表示 \(n\) 元置換群, \(X=\{s_1,s_2\cdots s_m\}\) 表示全部其中的全部奇置換,\(Y\) 表示其中的全部偶置換,取群中任意對換 \(\sigma\),對於\(X\) 中任意置換 \(s_i\) ,根據群的封閉性,都有 \(\sigma \cdot s_i \in S_n\) ,又因 \(\sigma \cdot s_i\) 是偶置換,則 \(\sigma \cdot s_i \in Y\),又因群內建換各不相同,所以 \(X,Y\) 的個數均為 \(S_n\) 大小的一半,即 \(\frac{n!}{2}。\)

置換的階

置換的階(order)是指滿足如下條件的最小正整數 \(a\):重複該置換 \(a\) 次後,所有元素都回到了原位。即$$\operatorname{ord} \sigma = \min \begin{Bmatrix} a \in \mathbf N_+: \sigma^a=(1) \end{Bmatrix}.$$
一個置換的階也等於其輪換分解後的,每一個輪換長度的 \(lcm\)

柯西公式

對稱群 \(s_n\) 中格式為 \((a_1,a_2\cdots a_n)\) 的置換(共軛類 \(s_n\) 的元素個數)的個數為

\[\frac{n!}{1^{a_1}2^{a_2}\cdots n^{a_n}a_1!a_2!\cdots a_n!}. \]

(簡化一下,就是長度為 \(k\) 的輪換有 \(a_k\) 個,問不同的置換的數目)

證明:
任何一個長度為 \(n\) 的排列,都可以根據要求分割為對應的輪換分解,共 \(n!\) 種,但長度相同的輪換位置沒有影響,要除以 $ \prod_k\alpha_k!$,同一個輪換內部的元素組成了一個環,順序也無影響,所以要除以 \(\prod_kk^{\alpha_k}\),


參考部落格:
Permutation (排列與置換)
置換入門(知識點)
置換和排列

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