2020-01-01 一个抽象数学定理的一个应用

本文介绍群论中的一个定理,这个定理有很多个名字,如下:

伯恩赛德计数定理 ,柯西-弗罗贝尼乌斯引理 ,轨道计数定理

这个定理描述比较抽象,如下:

给定群G ,集合X, 且G作用于X ,并定义 X^g := \{ x \in X| g \cdot x = x\}则 有:
作用的轨道数 = \sum_{g \in G} |X^g| /|G|

该定理的证明略,下面通过一个应用说明定理的含义:

给定一个正方体,并给定3种不同颜色,对正方体的表面进行着色,每个面只能着一种颜色,问共有多少种不同的着色方法, (前提是,如果两种着色方法,正方体经过旋转之后相同,则这两种着色方法看作相同的着色方法)

这个问题可以通过列出所有着色方法一个个统计来计算,但是通过 轨道计数定理可以得到一个较简单的算法:

正方体的自然旋转看做群G , 六个面着色排列看做集合X,
作用的轨道数,也就是在群G作用下X被划分的等价类个数,每个等价类就是那些可以经过群G作用(正方体旋转)仍然保持相同的元素的集合,
则题目待求的 不同着色方法 实际就是该作用的轨道数:

正方体的旋转分为5类:
1,不动旋转1个
2,3个过面中心的对称轴,沿着其中任意一个旋转+-90度2 个旋转,共6个旋转
3, 3个过面中心的对称轴,沿其中任意一个旋转180度,共3个旋转
4, 6个过边中心对称轴,沿其中任意一个旋转180度,共 6个旋转
5, 4个过顶点对称轴,沿其中各有+-120度旋转,共 8个旋转

一共有24个旋转
|G|= 24
因为这5类,同一类的旋转g对应的 |X^g|是相同的,只需计算每一类其中任意一个g对应的|X^g| , 其中|X^g| 根据定义就是旋转下相同的着色个数

1, 不动旋转下,显然每种着色方法都不变,共有 3^6种
2, 转旋90度,要求绕轴的4个面颜色相同,另外2个面随意,则共有3^3种
3,旋转180度,要求绕轴的4个面 对面相同,另外两个随意,共3^4种
4,旋转180度,要求两两相同,共3^3种可能
5,3个面相同为1组,共2组,共 3^2种着色可能

因此,根据轨道计数定理;
num = 1/24 \times (3^6 \times1+3^3\times6+3^4\times3+3^3\times6+3^2\times8)
= 1368/24 = 57

也就是共有旋转不同的57种着色方法

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