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Burnside引理和polay計數學習筆記

首先提出一個問題,在一個2*2的矩陣裡染色,旋轉後相同算作一種,問有多少種染色方法。

這裡寫圖片描述

顯然窮舉有那麼多種,然後發現,(3,4,5,6)是同一種,(7,8,9,10)是一種,(11,12)是一種,(13,14,15,16),1是一種,2是一種。

發現,顏色少的時候,格子少的時候還是很容易列舉的,但是當問題規模大的時候,計算起來就會比較麻煩。

所以我們要來介紹一下Burnside定理和polay計數。

首先是Burnside定理,介紹之前,首先介紹幾個概念。

一。置換群G,即所有的置換。以上面的為例子,置換一共有4種—旋轉0度,旋轉90度,旋轉180度,旋轉270度。所以|
G|=4

二。第二個概念,Zk 對於每個元素K,這裡的K滿足1<=k<=16,G中使得K保持不變的置換全體。

eg.Z1={g1,g2,g3,g4}

Z11={g1,g3}

三。第三個概念,Ek 對於每個元素k,在四種置換下依次得到G下的轉換的編號。

eg.E1={1},E2={3,4,5,6}

沒一個Ei其實就是一個等價類。

根絕上述定義,很容易得到一個公式:|Ek||Zk|=|G|

PS:|Ek|是第k個元素,在四種變換下能形成的種數。

|Zk|k在|G|種置換下保持不變的個數。

G表示置換種數

四。接著我們引出第四個概念。D
(gi)
表示在第i種置換下,沒發生變換的元素個數

D(g1)=16,D(g2)=2,D(g3)=4,D(g4)=2

舉例說就是在第一種置換下,16個元素都不會發生變化,在第二種置換下,1和2元素不會發生變化。

顯然有個公式16j=1|Zj|=4i=1D(gi)

那麼我們下面來進行最後的公式推導。

n=Li=1|Ei| ps.L個等價類

nj=1|Zj|=Li=1jE|Zj|=Li=1|Ei||Zi|=L|G|

又因為16j=1|Zj|=4i=1D(gi)

所以推出了我們著名的Burnside定理:

L=1|G|i
=1
|G|
D(gi)

這就是著名的Burnside定理。 第一步求出所有的置換。第二步求出所有置換下,不變元素個數。所最開始的例子。ans=(16+2+4+2)/4=6.但是我們發現這個的第二部比較難求。所以我們接下來介紹polay計數法。

polay定理

首先先介紹一個概念—迴圈節。

觀看下一組置換(1,2,3,4,5)>(3,5,1,4,2)

他的迴圈節是(13)(25)(4),所以迴圈節長度是3,兩個迴圈節是不想交的。

記上個問題按逆時針將四個格子放上1,2,3,4。

然後

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