群论

计数问题与Burnside引理

1

一张圆桌周围 nn 把椅子,留下 k 把,且任意两个椅子不相邻。求本质不同的方案数。如果对于两个方案,其中的一个不能通过旋转或翻转得到另一个,那么称他们本质不同。

根据 burnside 引理,等价类数量等于置换不动点数量的平均数。我们枚举一个旋转的置换,例如旋转了 xx 步,那么在这个置换下就有 gcd(x,n) 个循环节,长度都为 d=ngcd(x,n)d=ngcd(x,n)。每个循环节状态应该相同。因此如果 d|kd|k,那么我们就要在所有循环节中选出 num=kdnum=kd 个,并且不相邻。发现如果相邻的循环节之间连边,那么这张图还是一个环。我们先随便找个地方断开,变成序列上不相邻,最后减去同时选首尾的。因此方案数为 (gcd(x,n)num+1num)(gcd(x,n)num+3num2)(gcd(x,n)−num+1num)−(gcd(x,n)−num+3num−2)。序列上不相邻的做法类似隔板法,先拿出 num1num−1 个球,最后插回去。

对于环,需要讨论 kkn 的奇偶。

2

mm 种颜色的珠子。有三种操作:旋转、翻转、转换操作.。转换操作会将所有珠子的颜色编号加1,。特别地, 对于所有颜色编号为 m 的珠子, 它们的颜色编号会变为1。 如果一个项链A在经过任意的旋转, 翻转, 颜色转换之后变为了项链 B,则称 A 和 B 是等价的。 求有多少个本质不同的项链。

又加了转换操作。一个想法是不改变置换群,统计答案的时候考虑转换。另一种想法是扩大置换群。发现第二种比较靠谱。我们把置换群群扩大到 2nm2∗n∗m 个。例如我们旋转了 ii 步,转换了 d 次,首先要满足同一循环节前一个颜色比后一个小 dd,并且 d·ngcd(i,n)=0 (mod m),因为转一圈要变回自己的颜色。我们想要计算一下在一个 ii 下有多少合法的 d。令 z=ngcd(i,n)z=ngcd(i,n),化简一下式子:

dnz=0 (mod m)dz=kmd=m(m,z)kz/(m,z)d=0 (mod m(m,z))d·nz=0 (mod m)dz=kmd=m(m,z)·kz/(m,z)d=0 (mod m(m,z))

由于 d[1,m]d∈[1,m],因此在当前 ii 下有 (m,z) 个合法的 dd。所以我们的总方案数长这样:

i=1nm(i,n)·(m,n(n,i))=d|nmd(m,nd)j=1n[(j,n)==d]=d|nmd(m,nd)j=1n/d[(j,nd)==1]=d|nmd(m,nd)φ(nd)

好像还要写一个 Pollard_Rho…

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