Теорема Редфилда — Пойа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Теорема (теория) Редфилда — Пойа — классический результат перечислительной комбинаторики.

Впервые эта теорема была получена и опубликована Редфилдом в 1927 году, но работа была сочтена весьма специальной и осталась незамеченной. Пойа независимо доказал то же самое в 1937 году, но оказался куда более успешным популяризатором — так, например, в первой же публикации он показал применимость этого результата к перечислению химических соединений[1].

Вводные определения[править | править вики-текст]

Пусть заданы два конечных множества X и Y, а также весовая функция w:Y\rightarrow \mathbb{N}. Положим n=|X|. Без потери общности можно считать, что X = \{1,2,\ldots,n\}.

Рассмотрим множество функций F = \{ f\mid f:X\rightarrow Y \}. При этом вес функции f определяется как

w(f) = \sum_{x\in X} w\left(f(x)\right).

Пусть на множестве X действует некоторая подгруппа A симметрической группы S_n. Введем отношение эквивалентности на F

f \sim g\quad\Longleftrightarrow\quad f = g\circ a для некоторого a\in A.

Класс эквивалентности f обозначим через [f] и будем называть орбитой f. Так как веса эквивалентных функций совпадают, то можно определить вес орбиты как w([f]) = w(f).

Пусть

c_k = \left|\{ y\in Y \mid w(y)=k \}\right| — число элементов Y веса k;
C_k = \left|\{ [f] \mid w([f])=k \}\right| — число орбит веса k;
c(t) = \sum_k c_k\cdot t^k и C(t) = \sum_k C_k\cdot t^k — соответствующие производящие функции.

Цикловой индекс[править | править вики-текст]

Цикловой индекс подгруппы A симметрической группы S_n определяется как многочлен от n переменных t_1,t_2,\ldots,t_n

Z_A(t_1, t_2, \ldots, t_n) = \frac{1}{|A|}\sum_{a\in A} t_1^{j_1(a)}\cdot t_2^{j_2(a)}\cdot\ldots\cdot t_n^{j_n(a)},

где j_k(a) — число циклов длины k в перестановке a.

Теорема Редфилда—Пойа[править | править вики-текст]

Теорема Редфилда—Пойа утверждает, что

C(t) = Z_A(c(t),c(t^2),\ldots,c(t^n)),

где Z_A — цикловой индекс группы A.

Доказательство теоремы Редфилда—Пойа опирается на лемму Бернсайда.

Примеры приложений[править | править вики-текст]

Задача о количестве ожерелий[править | править вики-текст]

Задача. Найти количество ожерелий, составленных из n бусинок двух цветов. Ожерелья, совпадающие при повороте, считаются одинаковыми.

Решение. Пусть множество X = \{ 1, 2, \ldots, n \} соответствует номерам бусинок в ожерелье, а Y = \{ 0, 1 \} — множество возможных цветов. Весовую функцию положим равной w(y)=y для всех y\in Y. Во множестве Y имеется один элемент веса 0 и один — веса 1, то есть c_0=1 и c_1=1. Откуда c(t)=1+t.

Пусть F = \{ f\mid f:X\rightarrow Y \} — множество всех функций из X в Y. Любая функция f\in F задает некоторое ожерелье и, наоборот, каждое ожерелье задаётся некоторой функцией из F. При этом вес функции равен количеству бусинок цвета 1 в соответствующем ожерелье.

На множестве X действует группа поворотов A, порожденная циклической перестановкой (1, 2, \ldots, n), которая определяет отношение эквивалентности на F. Тогда ожерелья совпадающие при повороте будут в точности соответствовать эквивалентным функциям, и задача сводится к подсчёту числа орбит.

Цикловой индекс группы A равен

Z_A(t_1,\ldots,t_n) = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n t_{n/(k,n)}^{(k,n)} = \frac{1}{n} \sum_{d\mid n} \varphi(n/d) t_{n/d}^d = \frac{1}{n} \sum_{d|n} \varphi(d) t_d^{n/d},

где \varphi(d)функция Эйлера, (k,n)наибольший общий делитель чисел k и n.

По теореме Редфилда-Пойа

C(t) = Z_A(1+t,1+t^2,\ldots,1+t^n) = \frac{1}{n} \sum_{d|n} \varphi(d) (1+t^d)^{n/d}

Число орбит веса k (то есть различных ожерельев с k бусинками цвета 1) равно C_k, коэффициенту при t^k в C(t):

C_k = \frac{1}{n} \sum_{d|(n,k)} \varphi(d) {n/d\choose k/d}.

Общее число различных орбит (или ожерелий) равно

\sum_k C_k = C(1) = \frac{1}{n} \sum_{d|n} \varphi(d) 2^{n/d}

Примечания[править | править вики-текст]

  1. G. Pólya Kombinatorische Anzahlbestimmungen für Gruppen, Graphen und chemische Verbindungen // Acta Mathematica. — 1937. — Vol. 68. — P. 145–254. — DOI:10.1007/BF02546665

Литература[править | править вики-текст]

  • Перечислительные задачи комбинаторного анализа / Сборник переводов под редакцией Г. П. Гаврилова. — М.: Мир, 1979.
  • Комбинаторная прикладная математика / Под ред. Э.Беккенбаха. — М.: Мир, 1968.
  • Л. А. Калужнин, В. И. Сущанский Преобразования и перестановки. — M.: Наука, 1985.
  • Ф.Харари Теория графов. — М.: Мир, 1973.
  • Ф.Харари, Э.Палмер Перечисление графов. — М.: Мир, 1977.
  • Д. И. Яковенко Задача об ожерельях // Вестник Омского университета. — 1998. — В. 2. — С. 21-24.