Burnside引理与Pólya计数

本文深入探讨了Burnside引理及其在解决等价染色问题中的应用,详细解析了置换群的概念及如何计算等价类个数。进一步介绍了Polya计数原理,简化了不动点个数的求解过程。

前置知识

1.群
2.置换
3.置换群

问题背景

求解等价染色问题。(本质相同)
比如用k种颜色给一个2*2的方格染色,并认为旋转后相同的方案是本质相同的。 求有多少本质不同的方案。

Burnside引理

上面的问题也就是在求等价类个数了。
这个问题中,置换群就是恒等置换,转90,转180,转270。
先给出式子,将在后面证明。
等价类个数=∑C(f)∣G∣等价类个数 = \frac {\sum C(f)} {|G|}=GC(f)
其中C(f)为对于置换f,满足c⋅f=cc \cdot f = ccf=c的着色方案(也简称着色,将置换f作用在c上)c个数(不动点个数)。
∣G∣|G|G 为置换群的大小(阶)。

证明

定义G(c)G(c)G(c)为着色c的稳定核,是置换群的子集。其中的置换f满足c⋅f=cc \cdot f = ccf=c

由定义我们有
∑C(f)=∑G(c)\sum C(f) = \sum G(c)C(f)=G(c)

即总的不动着色 - 置换(c,f)(c, f)(c,f)对数相等。

现在我们通过改变右式来证明burnside定理。
考虑稳定核大小与等价类个数的关系,在稳定核G(c)G(c)G(c)中置换f,g必定满足c⋅f=c⋅g=cc \cdot f = c \cdot g = ccf=cg=c

联系群的运算性质,对于任意的f,g,若c⋅f=c⋅gc \cdot f = c \cdot gcf=cg
那么这样的g实际上是h⋅f,h∈G(c)h \cdot f,h \in G(c)hfhG(c). (这可以通过左右同乘f−1f^{-1}f1得到。)

这说明,对于任意着色c与置换f,满足上式的g实际上有∣G(c)∣|G(c)|G(c)个(当然也包含f自己,左右同乘恒等置换就是)。再进一步推理,c⋅fc \cdot fcf的不同结果应有∣G∣∣G(c)∣\frac {|G|} {|G(c)|}G(c)G个,换而言之,c所在等价类的大小便是上式。

那么就能得出下面的式子
∣G(c)∣=∣G∣Sc|G(c)| = \frac {|G|} {S_c}G(c)=ScG,Sc是c所在等价类大小。

将式子带回原式右侧,便有∑C(f)=∣G∣∑1Sc\sum C(f) = |G|\sum \frac {1} {S_c}C(f)=GSc1

很显然,右边便是∣G∣∗等价类个数|G| * 等价类个数G,这便是burnside定理了。

Polya计数

其实这个是burnside的进一步结论。

发现对于burnside来说,主要任务便是找置换群与求不动点个数。

polya便利用了一个求不动点的简单结论。
对于一个置换f,若他能被写为k个不相交循环,那么∣C(f)∣=ak|C(f)| = a^kC(f)=ak,其中a是颜色数目。

这个结论感性理解即可,即每一循环都染上相同的颜色,这样在置换后才能不变。

与burnside写在一起,是等价类个数=∑am(f)∣G∣等价类个数 = \frac {\sum a^{m(f)}} {|G|}=Gam(f)
m(f)是不相交循环个数。

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