Цикловой индекс

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.

Вводные определения

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

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

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

Задача о количестве браслетов

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

Решение. Пусть множество $X = \{ 1, 2, \ldots, n \}$ соответствует номерам бусинок в браслете, 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 c₀ = 1 и c₁ = 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 некоторый браслет и, наоборот, каждый браслет задаётся некоторой функцией из F. При этом вес функции равен количеству бусинок цвета 1 в соответствующем браслете.

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

Цикловой индекс группы A равен

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

где φ(d) — функция Эйлера, (k,n) — наибольший общий делитель чисел k и n.

По теореме Редфилда-Пойа

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

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

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

Общее число различных орбит (или браслетов) равно

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

Литература

• «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, Вып. 2, стр. 21-24.