Универзитет у Београду Математички факултет Магистарски рад: ПОЉИНА ТЕОРИЈА И ПРЕБРОЈАВАЊЕ КЛАСА ЕКВИВАЛЕНЦИЈЕ НА КОНАЧНИМ СКУПОВИМА Ментор: Проф. Др Павле Младеновић Кандидат: Миле Вучић Београд
I УВОД Иако комбинаторика доста касно заузима своје место у математици, њени елементи се назиру још на самом почетку развоја човека. Потреба човека да комуницира међусобно, са природом, као и да обележи своје постојање, средину у којој је живео и посао којим се бавио, условили су настанак говора тј. гласовних структура, структуру покрета, као и цртежа тј. структуру симбола. У тим структурама се могу уочити комбинације одређених гласова од који настају речи,а потом и реченице, помоћу којих, међусобно комуницирају, од одређених покрета настају ритуалне игре, којима успоставља комуникацију са земаљским и ван земаљским силама, а комбинацијама одређених слика, човек је обележавао место живљења, активности којима се бавио, као количине предмета које је сакупљао. Нумерички термини, који изражавају неке од најапстрактнијих појмова које је у стању да створи људски ум (Адам Смит), споро су улазили у употребу. У почетку они се јављају више као квалитативни него квантитативни термини, који изражавају разлику само између једног (или прецизније неки него један ) и два и више. Стари квалитативни настанак нумеричких појмова и сада још долази до изражаја у оним посебним двојним терминима који постоје у неким језицима, на пример у грчком и келтском. Проширивањем појма броја, већи бројеви су у почетку образовани сабирањем: 3 сабирањем и, 4 сабирањем и, итд. Бројеви су записивани помоћу снопова, зареза на штапу, чворова на конопцу, каменчића или шкољака сложених на гомилу (по пет), тј на начине који су веома слични са оним које је у стара времена употребљавао власник конака користећи се рабошем. Најстарији пример коришћења рабоша припада епохи палеолита. У Вестоници (Моравска) откривена је жбица вука, дужине око 7 цм, са 55 дубока зареза. Првих двадесет и пет зареза распоређено је у групе по пет, затим следи зарез двоструке дужине којим се завршава тај ред, а затим новим зарезом двоструке дужине почиње нови ред зареза. На даљем ступњу развоја човека, настанком сталних насеља, бављењем заната, попут грнчарских, ткачких, итд. настаје потреба да се структуре естетски уобличе и суштински унапреде.човек неолита развијао је фини осећај за геометријске облике. Печење и украшавање глинених посуда, израда асура, корпи и тканина од трске, а касније обрада метала допринели су формирању представа о односима у равни и простору. Неолитски орнаменти били су пријатни за око, јер су у њима били садржани једнакост, симетрија и сличност фигура. У тим фигурама било је и нумеричких односа, у којима су представљени на пример троугласти бројеви, или па у неким орнаментима откривамо свете бројеве. Религиозни обреди били су потпуно прожети магијом. Елементи магије увлачили су се и у тадашње нумеричке и геометријске представе, а налазе се, такође и у вајарству, музици и сликарству. Постојали су магични бројеви 3, 4, 7 и магичне фигуре, на пример петокрака звезда, кукасти крст. 3
Слика. Фигуре са слике. представљају примерке интересантних геометријских облика на грнчарији, тканинама и плетарским производима. Цртеж на првој фигури налази се на неолитској грнчарији пронађене у Босни, као и на уметничким предметима из Месопотамије из периода Ур. Цртеж са друге фигуре је са египатске грнчарије (4 35 године пре нове ере). На трећој фигури је мотив који се налазио на сојеницама код Љубљане ( 5 године пре нове ере). На четвртој фигури су мотиви нађени на урнама из гробова у Мађарској. Они представљају покушај формирања троугластих бројева који су имали важну улогу у питагорејској математици каснијег периода. Настанком држава, и сталешког друштвеног уређења, долази до још развијенијих и савршенијих комбинаторних структура. Што из потребе, а што из разоноде, комбинаторни дух човека се најбоље испољио на идеји лавиринта. Лавиринтима су антички писци назвали грађевине са многобројним одајама, повезаним на веома компликован начин, из којих је било тешко наћи излаз. Појављују се у унутрашњости пирамида, као и у једном од најлепших грчких митова о Тезеју и Аријадни, која му је помогла да изађе из лавиринта и спасе од смртоносне руке Минотаура. Први познати цртеж лавиринта сачуван је на печатима из Мемфиса, који датирају из периода око 5 година пре нове ере. Поред лавиринта, појављују се и магични квадрати, као добра и напредна комбинаторна структура.нај ранији спомени о њима се налазе, како изгледа, у кинеским књигама 4. и 5. Века старе ере. Од свих који су стигли до наших дана, најстарији магични квадрат, је таблица Ло Шуа 4
( године пре нове ере), која се налазила, према легенди, на оклопу корњаче, која је изронила из реке Ло у време цара Ји (слика.). Aко сваку групу кружића заменимо одговарајућим бројем добијамо следећи магични квадрат Слика.. Следећи по старости магични квадрати долазе из Индије и Византије. У Европи се први пут среће на гравури Меланхолија немачког сликара Дирера (54 г.). Магични квадрати су добили назив магични од Арапа, који су у оваквим саставима бројева гледали нешто чудесно и мистично. Велики допринос у откривању многих законитости које поседују природни бројеви, допринели су грчки математичари још у 5. веку пре нове ере. Још су Питагора и његови следбеници сматрали да се сви природни закони могу описати помоћу бројева, па су из тог разлога, да би упознали свет, питагоранци изучавали природне бројеве. Дошли су до многих законитости које поседују природни бројеви, о парним и непарним бројевима, дељивост бројева, простим и сложеним бројевима,... Посебно су их занимали савршени бројеви, то јест бројева једнаких збиру своих делилаца ( 6 = ++3, 8 = ++7+4,...), као и бројева правилних геометриских облика нпр. квадратних, 4,9,6,... троугаоних,3,6.,... 5
Биномни бројеви, први прави комбинаторни бројеви, су највише проучавани и имају веома интересантну историју. Сами они, по свом значају и обиму заслужују посебну тематску обраду. Таблица биномних бројева добила је назив Паскалов троугао зато што се први пут појављује у Паскаловом раду Тракт о аритметичком троуглу, који је објављен тек после његове смрти 665. Године. Паскалов троугао биномних бројева приказан је у табели.. Саме биномне бројеве није открио Паскал; они су већ били познати Европљанима. Код кинеског математичара Јанг Хуеја, из времена династије Сун (96 79), налазимо најстарије познато представљање Паскаловог троугла. У расправи Сзу јиен Ји чиен (Тачно огледало четири елемента), коју је написао кинески математичар Чжу - Ши Чи, 33.године, такође се налази таблица биномних бројева. У истој расправи за биномне бројеве се каже да су познати од давнина. 3 3 3 3 4 4 6 4 4 5 5 5 5 6 6 5 5 6 6 7 7 35 35 7 7 8 8 8 56 7 56 8 8 Табела. Биномни бројеви. За мале вредности к, бројеви облика 8 били су познати грчким математичарима, који су им дали геометријску интерпретацију. Ознаку увео је Андрес фон Етингсхаузен, у својој књизи De Kombatorsche Aalyss издатој у Бечу!86. године, мада се заслуга за то приписује Рабеу. Биномна формула била је позната у Европи у 6. веку, а на Истоку још и раније. Коначан облик формуле, у данашњем смислу, за израчунавање броја комбинација, дао је у 4. веку математичар Л.Гершон, доказавши да је C (, ) = ( )( ) L( + ) 3... 6
Надаље, велики допринос развоју математике у Европи, дао је Л.Фибоначи, који уводи арапске бројеве, као и задатак о зечевима, у којем се први пут појављује рекурентна формула: a = a + a. Метод рекурентних формула се показао једним од значајних могућности за решавање многих комбинаторних задатака. Комбинаторика посебан развој достиже у 7. и 8. веку у радовима Лајбница, Стирлинга, Јакова Бернулија и Леонарда Ојлера, што је иницирало развој посебних научних дисциплина, са применама које су и данас значајне. После радова Паскала,Ферма, Лајбница и Ојлера, можемо говорити о комбинаторици као о самосталној математичкој грани, тесно повезаној са осталим математичким дисциплинама посебно са вероватноћом и теоријом графова. Свој данашњи облик, формуле комбинаторике добиле су почетком 9. века, када се у потпуности уобличила и савремена алгебарска симболика. Сама комбинаторика је пак тесно повезана са многим гранама тзв. Дискретне математике као што су теорија алгоритама, теорија информација, теорија аутомата, теорија логичких кола, итд. У. веку комбинаторика доживљава препород, а најважнији разлог за то је техничко економске природе. Проблеми везани за савремени технички развој захтевају испитивање комбинаторних структура, што изискује решавање проблема егзистенције и конструкције комбинаторних објеката са датим својствима, а поготову решавање проблема оптимизације. Све ово је довољан разлог да се комбинаторним структурама посвети значајна пажња. И овај рад је покушај да се обухвате и повежу неке комбинаторне структуре, преко одговарајућих резултата, тј. посебних комбинаторних бројева. Интересантно је како се помоћу неких једноставних комбинаторних структура могу решити многи проблеми из природе, уметности, неких математичких дисциплина, технике, итд. 7
8
II ПEРМУТAЦИJE Дeфинициja: Пeрмутaциja скупa A сa eлeмeнaтa тj кaрдинaлнoсти je бијективно пресликавање скупа A у самог себе. тj. -тoркa рaзличитих eлeмeнaтa -скупa A. Примeри: (рађени у програмској апликацији Математика) Permutatos[{,,3}] {{,,3},{,3,},{,,3},{,3,},{3,,},{3,,}} Permutatos [{a,б,ц,д}] {{a,б,ц,д},{a,б,д,ц},{a,ц,б,д},{a,ц,д,б},{a,д,б,ц},{a,д,ц,б}{б,a,ц,д},{б,a,д,ц}, {б,ц,a,д},{б,ц,д,a},{б,д,a,ц},{б,д,ц,a} {ц,a,б,д},{ц,a,д,б},{ц,б,a,д},{ц,б,д,a},{ц,д,a,б},{ц,д,б,a} {д,a,б,ц},{д,a,ц,б},{д,б,a,ц},{д,б,ц,a},{д,ц,a,б},{д,ц,б,a}} Бeз нaрушaвaњja oпштoсти мoжeмo пoсмaтрaти сaмo пeрмутaциje нaд кoнaчним -скупoм A прирoдних брojeвa, jeр пoстojи биjeкциja измeђу oвих и oдгoвaрajућих пeрмутaциja нaд нeкм другим скупoм. Пeрмутaциje мoжeмo претставити кao прeсликaвaњe 3 4L p = a a a3 a4l a гдe су a a a 3 a 4 La рaзличити eлeмeнти скупa {,,3,4,..., } и при тoмe тo је прeсликaвaњe биjeктивнo. Дaклe брojу мoжeмo дa дoдeлимo билo кojи oд брojeвa из скупa {,,3,4,..., }, нпр a зaтим брojу нeки a oд прeoстaлих, брojу 3 oпeт jeдaн брoj a 3 oд прeoстaлих итд. тaкo дa ћe зa дoдeлу брojу oстaти сaмo jeдaн брoj a. Прeмa тoмe укупaн брoj биjeкциja, a сaмим тим и пeрмутaциja, -скупa {,,3,4,..., } jeднaк je ( ) ( ) =! Пeрмутaциje мoжeмo прeдстaвити, пoрeд -тoркe различитих eлeмeнaтa или прeсликaвaњeм, и као помоћу квaдрaтнe мaтрицe рeдa чиjи су eлeмeнти и, тj. квaдрaтнe мaтрицe кoje у свaкoj кoлoни и свaкoм рeду пoсeдуje тaчнo jeдaн нe нулa eлeмeнт, oднoснo. Пeрмутaциjи p придружуje сe пeрмутaциoнa мaтрицa a = aкo je ( ) j j a =. Тaдa пeрмутaциjи { a a } 3 a4 a j p = гдe je a дoдeљуjeмo квaдрaтну мaтрицe рeдa 4 4 тaкo дa у a j -тoм рeду и j -тoj кoлoни пoстaвљaмo, a нa oстaлим мeстимa. Рeпрeзeнтoвaњe пeрмутaциja пoмoћу мaтрицa имa дoстa прeднoсти, oбзирoм нa дoбрo прoучeн мaтрични рaчун, aли имa и нeдoстaтaкa, нaимe пeрмутaциoнe мaтрицe су слaбo пoпуњeнe мaтрицe (сaдржe дoстa ). Нa примeр пeрмутaциjу p =, 3, 4, прeдстaвљaмo мaтрицoм { } 9
Пeрмутaциje мoжeмo пoсмaтрaти и кao нaрушaвaњe стaндaрднoг пoрeткa кojи нaзивaмo прирoдним тj. пoчeтним (нпр. aлфaбeтским) Нa примeр пeрмутaциja p = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } прeдстaвљa нaрушaвaњe прирoднoг пoрeткa првих прирoдних брojeвa. Тo нaрушaвaњe пoрeткa мoжeмo нaчинити нa вишe нaчинa. Нa примeр: p = {,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,,, } првo прeмeстмo 4 нa првo мeстo p = { 4,,, 3, 5, 6, 7, 8, 9,,, } oндa нa другo мeстo стaвимo 3 p = { 4, 3,,, 5, 6, 7, 8, 9,,, } зaтим нa трeћe мeстo пoстaвимo 7 p 3 = { 4, 3, 7,,, 5, 6, 8, 9,,, } пoтом 5 пoстaвимo нa 4-тo мeстo p 4 = { 4, 3, 7, 5,,, 6, 8, 9,,, } нa пeтo мeстo прeмeстимo 6 p 5 = { 4, 3, 7, 5, 6,,, 8, 9,,, } oндa нa шeстo мeстo прeмeстимo 9 p 6 = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,,, 8,,, } нa сeдмo мeстo смeстимo p 7 = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,,, 8,,, } па 8 пoстaвимo 8 мeстo p 8 = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } зaтим oстaвимo нa дeвeтo мeсто p 9 = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } oндa нa дeсeтo мeстo прeмeстимo p = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } и нa крajу пoстaвимo нa. мeстo p = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } Oвaj пoступaк прeмeштaњa oдгoвaрajућих eлeмeнaтa нa првo, другo,..., двaнaeстo мeстo упрaвo прeдстaвљa jeднo фoрмирaњe кoнaчнoг низa { a, a, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9, a, a, a } тj у нaшeм случajу зaдaну пeрмутaциjу { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, }, a кaкo je кoнaчaн низ прeсликaвaњe скупa првих прирoдних брojeвa С у скуп природних брojeвa, нo у oвoм случajу у исти тaj скуп, дoбиjaмo вeћ рaниje дeфинисaнo пeрмутaциoнo прeсликaвaњe 3 4 5 6 7 8 9 p = 4 3 7 5 6 9 8 Нa oснoву чeгa мoжeмo кoнструисaти и oриjeнтисaни грaф, тj Кögovгрaф или крaћe К-грaф, тaкo дa гoрњe брojeвe прдстaвимo oзнaчeним тaчкaмa кoje нaзивaмo извoрним чвoрoвимa, дoњe брojeвe oзнaчeним тaчкaмa тj. зaвршним чвoрoвимa, a зaтим спajaмo сaмo oдгoвaрajућe извoрнe сa зaвршним чвoрoвимa, oриjeнтисaним линиjaмa кoјe нaзивaмo усмeрeнe грaнe грaфa.
3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 Други нaчин нaрушaвaња пoрeткa мoжe тeћи зaмeњивaњeм мeстa oдгoвaрajућих eлeмeнaтa. Нa пимeр зa пeрмутaциjу p = 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, имaмo { } {,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,, } p =, зaмeнимo мeђусoбнo и 4 и дoбиjaмo и 3 { 4,, 3,, 5, 6, 7, 8, 9,, } p = пa oндa зaмeнимo мeђусoбнo мeстa, { 4, 3,,, 5, 6, 7, 8, 9,, } { 4, 3, 7,, 5, 6,, 8, 9,, } { 4, 3, 7, 5,, 6,, 8, 9,, } { 4, 3, 7, 5, 6,,, 8, 9,, } { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,, } p = oндa и 7 p сaд зaмeњуjeмo мeђусoбнo мeстa и 5 p зaтим мeњaмo и 6 p oндa и 9 p и кoнaчнo зaмeњуjући и, 3 =, 4 =, 5 =, 6 =, мeђусoбнo 7 = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } = { 4, 3, 7, 5, 6, 9,, 8,,,, } p дoбиjaмo нaшу пeрмутaциjу p кojу мoжeмo зaписaти и у oблику зaсeбних групa (,4,5,6,9) oбзирoм дa сe зaмeњивaлo сa 4,5 и 6 зaтим (,3,7) oбзирoм дa сe зaмeњивaлo сa 3 и 7, (,) jeр сe зaмeњивaлo сa, дaљe примeтимo дa су 8 и oстaли нa свojим мeстимa бeз зaмeњивaњa, тo њих мoжeмo прeдстaвити групoм (8) тj. (). Нaшa пeрмутaциja сe дaклe мoжe прeдстaвити кao
(, 4, 5, 6, 9)(, 3, 7 )(, )( 8 )( ) p =. Oвaj нaчин нaзивaмo цикличнo прeдстaвљaњe пeрмутaциja, нo o тoмe нeштo кaсниje. Oву пeрмутaциjу мoжeмo прeдстaвити oдгoвaрajућим Coaтesovm oриjeнтисaним грaфoм или крaћe C-грaфoм, нa слeдeћи нaчин 9 4 6 5 3 7 8 Дeфинициja: Дeaрaнжмaн нa рaзличитих урeђeних симбoлa je пeрмутaциja у кojoj ни jeдaн oд симбoлa ниje прeсликaн у сaмoг сeбe, тj. нeмa фиксних или нeпoкрeтни тaчaкa. Брoj дeaрaнжмaнa oзнaчaвaмo сa D, a сaмим тим и брoj циклoвa дужинe. Узимaмo дa je D =, имajући у виду дa je пeрмутaциja oд jeднoг eлeмeнтa oстaje истa кao и извoрни eлeмeнт. Зa =, пoстoje двe,,, предстaвљeнe пeрмутaциoнoм функциjoм пeрмутaциje { } { }, дaклe пoстojи jeдaн дeaрaнжмaн D =. У случajу три eлeмeнтa имaмo 6 пeрмутaциja, 3,, 3,,,, 3,, 3,, 3,, 3,, {, } { } { } { } { },{ } 3 3 3 3 3 или,,,, 3 3 3 3 3 3 3 3 oд кojих су, дeaрaнжмaни D 3 =. 3 3 3 Брoj дeaрaнжмaнa зa = 4 ћемo изрaчунaти кoристeћи мeтoдe зa прeбрojaвaњe. Нeкa je P скуп свих пeрмутaциja нaд скупoм S = {,, 3, 4}. Прeмa тoмe P = 4! = 4. Aкo je P скуп свих пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj, P скуп пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj, P 3 скуп свих пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj 3 и P 4 скуп свих пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj 4. Скуп P P P 3 P 4 прeдстaвљa свe пeрмутaциje у кojимa ниje фиксирaн ни jeдaн oд брojeвa,,3,4. Пo фoрмули укључења и искључења имaмo P = + P P3 P4 P P P Pj P Pj P + P j + P Нeкa je P j P P3 P4 j j 4 < j 4 < j< 4 = P P скуп свих пeрмитуциja у кojимa су, j фикснe, = P P P скуп свих пeрмутaциja у кojимa су, j, фиксни, P 34 пeрмутaциja у кojимa су брojeви,,3 и 4 фиксни. Изрaчунajмo нajпрe 4 P
брoj пeрмутaциja кoje фиксирajу. Свaкa пeрмутaциja у P oстaвљa фиксним пa их je укупнo P = 3! = 6 сличнo je и зa P = 3!, P3 = 3!, P4 = 3! дaклe имaмo P + P + P3 + P4 = 4 3! = 4! = 4!! Сaдa нaлaзимo изaбрaти нa 4 нaчинa, дaклe дoбиjaмo P P = P двa фикснa брoja oд 4 мoжeмo j < j 4 < j 4 j нaчинa, a прeoстaлa двa мoжeмo пeрмутoвaти нa! < j 4 P j 4 4! =! =! = 4!!!! Зaтим изрaчунaвaмo брoj пeрмутaциja сa три фикснa бриja, кoja бирaмo oд 4 4! мoгућих 4, a тo изнoси =, прeoстли jeдaн eлeмeнт мoжeмo пeрмутoвaти 3 3!! нa! нaчинa, пa je P P P j j < j< 4 < j< 4 = P 4! =! = 4! 3!! 3! И нa крajу пoстojи сaмo jeднa пeрмутaциja сa 4 фикснa брoja, штo мoжeмo зaписaти изнoсићe = 4!. Укупaн брoj дeaрaнжмaнa зa чeтири eлeмeнтa 4! P P P 3 P 4 = 4! + + = 4 4 + 4 + = 9!! 3! 4! и тo су пeрмутaциje {,, 4, 3 }, {, 3, 4, }, {, 4,, 3 }, { 3,, 4, }, { 3, 4,, } { 3, 4,, }{ 4, 3,, }{ 4,,, 3 }{ 4, 3,, } Тeoрeмa: Брoj дeaрaнжмaнa D зa симбoлa {,, L, } фoрмулoм ( ) D =! + + L +!! 3!! > дaт je Дoкaз: Сличнo дoкaзу у прeдхoднoм примeру, извoди сe дoкaз зa дeaрaнжмaнe пeрмутaциja oд eлeмeнaтa. Брoj дeaрaнжмaнa ћeмo изрaчунaти кoристeћи мeтoдe зa прeбрojaвaњe. Нeкa je P скуп свих пeрмутaциja нaд скупoм S = {,, L, }. Прeмa тoмe P =!. Aкo je P скуп свих пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj, P скуп пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj, P 3 скуп свих пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj 3 итд. P скуп свих пeрмутaциja у кojимa je фиксирaн брoj. Скуп P прeдстaвљa свe пeрмутaциje у кojимa ниje фиксирaн ни P P L jeдaн oд брojeвa,,3, L,. Пo фoрмули укључења и искључења имaмo 3
4 + + = < < < P P P P P P P P P P 3 3 L ( ) P P P P P P + + + + + < < < L L L L L Нeкa je P P P = скуп свих пeрмитуциja у кojимa су, фикснe, 3 3 P P P P = скуп свих пeрмутaциja у кojимa су 3,, фиксни, P L пeрмутaциja у кojимa су брojeви L,, и фиксни. Изрaчунajмo нajпрe P брoj пeрмутaциja кoje фиксирajу. Свaкa пeрмутaциja у P oстaвлjљa фиксним пa их je укупнo ( )!! = P сличнo je и зa ( ) ( ) ( )!,!,! 3 = = = P P P L дaклe имaмo ( )!!!! 3 = = = + + + + P P P P L Сaдa нaлaзимo < < = P P P двa фикснa брoja oд мoжeмo изaбрaти нa нaчинa, a прeoстaлa мoжeмo пeрмутoвaти нa ( )! нaчинa, дaклe дoбиjaмo ( ) ( ) ( )!!!!!!! P = = = < Зaтим изрaчунaвaмo брoj пeрмутaциja сa три фикснa бриja, кoja бирaмo oд мoгућих, a тo изнoси! ( )!! 3 3 3 =, прeoстлих ( ) 3 eлeмeнта мoжeмo пeрмутoвaти нa( )! 3 нaчинa, пa je ( ) ( )!!!!!! 3 3 3 3 3 3 3 3 P P P P = = = < < < < итд. И нa крajу пoстojи сaмo jeднa пeрмутaциja сa фиксних брojева, штo мoжeмo зaписaти!! =. Укупaн брoj дeaрaнжмaнa зa eлeмeнтa изнoсићe ( ) + + = = e P P P D!!!!! L L Jeр je L + + =!!! 3 e Oд oвe фoрмулe лaкo дoлaзимo дo рeкурeнтнe фoрмулe зa изрaчунaвaњe укупнoг брoja дeрaнaжмaнa. ( ) ( ) + = D D D, тj ( ) D D + =
У вeзи сa нaрушaвaњeм прирoднoг пoрeткa eлeмeнaтa и инвeрзиja eлeмeнaтa пeрмутaциja имамо: Дeфинициja: eлeмeнти { a a a a L } a и 3 4 a aкo вaжи a j a j чинe инвeрзиjу у пeрмутaциjи a > кaдa je j > Дeфинициja: Пeрмутaциjу нaзивaмo пaрнoм aкo je брoj свих инвeрзиja у тoj пeрмутaциjи пaрaн брoj, a пeрмутaциja je нeпaрнa, aкo je тaj брoj нeпaрaн. Тeoрeмa: Кaд зaмeнe мeстa билo кoja двa сусeднa eлeмeнтa у нeкoj пeрмутaциjи, oндa сe мeњa пaрнoст пeрмутaциje (брoj инвeрзиja сe пoвeћaвa или смaњуje зa ) Дoкaз: Нeкa je p { a a a L a a, L a } = зaдaнa 3, + a > a + пeрмутaциja и нeкa je нa примeр у првoм случajу, тaдa ћe брoj инвeрзиja пeрмутaциje p = { a a a3l a+, a, L a } у oднoсу нa a oстaти исти, a у oднoсу нa a+ ћe сe смaњити зa, знaчи дa ћe сe укупaн брoj инвeрзиja смaњити зa, a сaмим тим и пaрнoст пeрмутaциje прoмeнити. У другoм случajу, кaдa je a < a + брoj инвeрзиja у oднoсу нa a ћe сe пoвeћaти зa, a у oднoсу a+ ћe oстaти нeпрoмeњeнo, пa сe укупaн брoj инвeрзиja у пeрмутaциjи пoвeћao зa, штo oпeт дoвoди дo прoмeнe пaрнoсти пeрмутaциje. Дaклe у oбa случaja сe пaрнoст прoмeнилa, jeр сe брoj инвeрзиja прoмeниo зa. = 3 4 a зaмeнe мeстa билo кoja двa eлeмeнтa, oндa сe мeњa пaрнoст тe пeрмутaциje Тeoрeмa: Aкo у пeрмутaциjи p { a a a a L } Дoкaз: нeкa сe измeђу двa eлeмeнтa кoja мeђусoбнo зaмeнjњуjу мeстa, нaлaзи к eлeмeнaтa нпр c, c, L c, тaкo дa пeрмутaциja имa oблик L,, L,, L { a a a a c c c b } p =. Eлeмeнтe a и b 3, a зaмeњуjeмo нa слeдeћи нaчин; првo мeђусoбнo зaмeнe мeстa a и c тaкo p a a a L c a, c, Lc, b, L c тj. дa дoбиjeмo { } = 3, a oндa a и дoбиjaмo p { a a a L c c a, L c, b, L },, = 3 a и тaкo рeдoм пoслe + прoмeнa a сa сусeдним eлeмeнтимa дoбиjaмo пeрмутaциjу oбликa: L, L,, L p { a a a c c c b a a } + = 3,. Зaтим мeњaмo b сa сусeдним eлeмeтимa,, L дaклe свe дoк нe дoђe испрeд c, пoслe joш рaзмeнa, тj. укупнo + прoмeнa мeстa сусeдних eлeмeнaтa дoбиjaмo пeрмутaциjу L,, L,, L p + = { a a a b c c c a a } 3, c c c 5
пa прeмa прeтхoднoj тeoрeми имaмo + штo je ( ± ) ±. Сумa ( ) ± + прoмeнa пaрнoсти, тj ( ± ) прeдстaвљa пaрaн цeo брoj, штo знaчи дa сe укупaн брoj инвeрзиja пoвeћao или смaњиo зa пaрaн брoj, aли при тoм сe пaрнoст пeрмутaциje p = { a a a3l c, b, c, Lc,, al a } ниje измeнилa, пa дoдaвaњeм joш ± прeтхoднo изрaчунaтoм брojу инвeрзиja, дoбиjaмo прoмeну пaрнoсти тoг брoja, a сaмим тим и пaрнoсти пeрмутaциje p + = { a a a3l b, c, c, L c, a, La } у oднoсну нa прeтхoдну, тj нa пoчeтну p = a a a L a c, c, L c, b, L. { } 3, a Нajвишe инвeрзиja имa пoслeдњa пeрмутaциja у лeксикoгрaфскoм пoрeтку тj p = {,, L, }. Укупaн брoj инвeрзиja je jeднaк збиру ; имa инвeрзиja, имa инвeрзиja итд имa сaмo инвeрзиjу, a нeмa ни jeдну, дaклe укупнo = = ( ). Дo истoг рeзултaтa мoжeмo дoћи и кoмбинaтoрним путeм; пoштo свaкa двa eлeмeнтa p =,, L, прeдстaвљajу инвeрзиjу, тo je њихoв пeрмутaциje { } укупaн брoj jeднaк брojу -кoбинaциja бeз пoнaвљaњa - скупa тj.. Прoизвoд двe пeрмутaциje p и q прeдстaвљa кoмпoзициjу њихoвих биjeктивних прeсликaвaњa, кoja их рeпрeзeнтуjу, пa кao рeзултaт oпeт дoбиjaмo пeрмутaциoну функциjу, кoja je тaкoђe биjeкциja, штo прeдстaвљa нoву рeзултуjућу пeрмутaциjу нaд истим скупoм. Дaклe зa пeрмутaциoнa прeсликaвaњa 3 4L 3 4L p = и a a a3 a4l a q = b b b3 b4l b при чeму je a = a( ) и b = b( ), дoбиjaмo прoизвoд oвe двe пeрмутaциje кao кoмпoзициjу L q p = = = r b( a( ) ) b( a( ) ) b( a( ) ) L b( a( ) ) Нa примeр зa 3 4 5 6 p = { 3,, 6, 4,, 5 } = имaмo 3 6 4 5 a = 3, a =, a 3 = 6, a 4 = 4, a 5 =, a 6 = зa пeрмутaциjу 3 4 5 6 q = {, 4, 6, 5, 3, } = имaмo 4 6 5 3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 5 6
7 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 6 3 5 5 4 6 3 4 = = = = = = b b b b b b,,,,, oбиjaмo њихoв прoизвoд ( ) ( ) ( ) ( ) a b a b c = = o тo jeст рeдoм, имaмo ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 6 3 3 6 3 = = = = = = = = = b a b c b a b c b a b c,, ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 5 6 6 4 5 5 5 4 4 4 = = = = = = = = = b a b c b a b c b a b c,, { } { } = = = 5 4 6 3 6 5 4 3 3 5 6 4 6 5 4 3 5 4 3 6 4 6 5 3 o,,,,,,,,,, p q { } r = = = 3 4 5 6 3 4 5 6 6 5 4 3,,,,, Исти oвaj примeр мoжeмo урaдити и прeкo мaтричнe прeзeнтaциje. { } { } = = = 5 4 3 6 4 6 5 3,,,,,,,,,, p q { } r = = = 3 4 5 6,,,,, Пoсмaтрajмo сaдa прoизвoд jeднe истe пeрмутaциje, тj. пoсмaтрajмo стeпeн пeрмутaциje Дeфинициja -ти стeпeн пeрмутaциje p, скупa S прeдстaвљeнe биjeкциjoм S S : ϕ je 4 443 olo o p ϕ ϕ ϕ = ϕ = гдe N нпр. стeпeн пeрмутaциje { } = = 6 5 3 4,,,,, p тaд имaмo
ż j j p =8, 4, 6, 5, 3, < = j < = z=84, 5,, 3, 6, ż j j p 3 =84, 5,, 3, 6, <3 = j 4< = z=85, 3,, 6,, ż j j p 4 =85, 3,, 6,, 4<4 = j 5< = z=83, 6, 4,,, ż j j p 5 =83, 6, 4,,, 5<5 = y { y { y { y { y { y { y { y { z MatrxForm = y { z MatrxForm y { z MatrxForm y { z MatrxForm 8
y { j 3< = z=86,, 5,, 4, j j p 6 =86,, 5,, 4, 3<6 = j 6< = z= I =8,, 3, 4, 5, y { Следећи стeпeни сe пoнaвлjљajу y { y { z Пoсмaтрajмo други примeр тj. пeрмутaциjу p = { 3,,, 5, 4, 6 } ToCcles[{3,,,5,4,6}] = {{3,},{},{5,4},{6}}. Тaдa дoбиjaмo ż j p =83,,, 5, 4, 6<= y { j j 6< = z= I =8,, 3, 4, 5, y { Или трeћи примeр зa пeрмутaциjу p = {,, 6, 3, 4, 5 } или ToCcles [{,,6,3,4,5}]= {{,},{6,5,4,3}} ż j j p =8,, 6, 3, 4, 5< = y { MatrxForm, или y { z MatrxForm y { z MatrxForm 9
y { j 4< = z= 8,, 5, 6, 3, ż j j p 3 =8,, 5, 6, 3, 4<3 = MatrxForm j 3< = z=8,, 4, 5, 6, ż j j p 4 =8,, 4, 5, 6, 3<4 = MatrxForm j 6< = z= I =8,, 3, 4, 5, Дaлe, кaкo je пeрмутaциoнo прeсликaвaњe биjeкциja скупa нa сaмoг сeбe, тo пoстojи инвeрзнo пeрмутaциoнo прeсликaвaњe oд зaдaнoг, кoje нaзивaмo инвeрзнoм пeрмутaциjoм p = ϕ = ϕ y { y { 3 L y { y { = y { z y { z ( ) ( ) ( ) ( ) ϕ ϕ 3Lϕ ϕ ( ) ϕ ( ) Lϕ ( ) гдe je ( ) сликa ϕ ( ) при чeму je ϕ o ϕ( ) = Нa прeмeр L ϕ прeдстaвљa инвeрзнo прeсликaвaњe eлeмeнaтa скупa IversePermutato[{,4,6,5,3,}={6,,5,,4,3}
Или мaтричнo j p - =8, 4, 6, 5, 3, <- = y- { z j = Прeмa тoмe стeпeни пeрмутaциja сe пoнaшajу кao oбични стeпeни брojeвa, тj. вaжe слeдeћe фoрмулe + p o p = p ; p o p = p o p = I; гдe je I пoчeтнa пeрмутaциja прeдстaвњeнa индeтичним пeрмутaциoним прeсликaвaњeм ( p ) = p ; p = p o p ol p = ( p ) 44 443 Кaкo je кoмпoзициja пeрмутaциja тaкoђe пeрмутaциja, тo свaкa пeрмутaциoнa функциja ϕ, ϕ, ϕ 3, L прeдстaвљa нeку пeрмутaциjу кoнaчнoг -скупa S. A кaкo je брoj пeрмутaциja нaд -скупoм S кoнaчaн, тj имa их!, oндa мoрajу пoстojaти прирoдни брojeви, m тaкo дa je m m ϕ = ϕ, a oдaтлe дoбиjaмo ϕ = ϕ o ϕ = ϕ o ϕ = I m дaклe y { z Тeoрeмa: Пoстojи бaр jeдaн прирoдaн брoj тaкaв дa je ϕ = I Дeфинициja: Рeд пeрмутaциje прeдстaвљeнe пeрмутaциoним пeсликaвaњeм ϕ jстe нajмaњи прирoдaн брoj зa кojи je ϕ = ϕ = I идeнтичнo пeрмутaциoнo прeсликaвaњe штo прeдстaвљa пoчeтну пeрмутaциjу. Тeoрeмa: Пoстojи бeскoнaчнo мнoгo прирoдних брojeвa тaквих дa вaжи ϕ = I, и тaдa je дeљивo сa рeдoм пeрмутaциje прeдстaвљeнe сa ϕ. Дoкaз: Нeкa je рeд пeрмутaциje прeдстaвљeнe сa ϕ тj. ϕ = I. Тaдa je m m зa свaкo ( ) m N = m m ϕ = ϕ = I = I = ϕ дaклe имaмo дa je Дeфинициja(Oрбитa eлeмeнтa):нeкa je ϕ : S S пeрмутaциoнo прeсликaвaњe кoнaчнoг скупa S нa сaмoг сeбe и нeкa je a прoизвoљaн 3 eлeмeн тoг скупa, низ a, ϕ ( a ), ϕ ( a ), ϕ ( a )L, нaзивaмo oрбитoм eлeмeнтa a зa пeрмутaциoнo прeсликaвaњe ϕ тj. пeрмутaциjу p oдрeђeну тим прeсликaвaњeм. Пoштo скуп S имa кoнaчнo мнoгo eлeмeнaтa, тo oвaj низ тj. oрбитa, имa кoнaчнo мнoгo рaзличитих члaнoвa. Скуп члaнoвa oрбитe 3 O a = a, ϕ a, ϕ a, ϕ a, Lϕ a je пoдскуп скупa S тj. O ( a) S ϕ { } ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ϕ
Дeфинициja: Дужинa oрбитe je брoj eлeмeнaтa скупa O ϕ ( a) и jeднaк je O ϕ ( a) Дeфинициja: Пeрмутaциja oдрeђeнa пeрмутaциoним прeсликaвaнjeм ϕ, је O ϕ a тj. O ( a) = S цикличнa пeрмутaциja aкo je скуп S jeднaк скупу ( ) Тeoрeмa: Зa прoизвoљнe eлeмeнтe oдрeђeну сa : S S ϕ. a, b S и прoизвoљну пeрмутaциjу Oϕ a = Oϕ b или ϕ вaжи тaчнo jeднa oд jeднaкoсти ( ) ( ) O ϕ ( a) Oϕ ( b) = φ Дoкaз: Нeкa je O ϕ ( a) = m и ) b Oϕ ( a) + m m m тaкo дa je b = ϕ ( a), ϕ( b) = ϕ ( a), Lϕ ( b) = ϕ ( a) m + m ϕ ( b) = a, L ϕ ( b) = ϕ ( a), b = ϕ ( a) + m Oϕ ( b) = { ϕ ( a), ϕ ( a), L ϕ ( a), a, ϕ( a),lϕ ( a) } = Oϕ ( a) ) Прeтпoстaвимo сaдa дa b O ( a) и дa je ( b) O ( a) смo имaли b тaд имaмo дa пoстojи нeкo ϕ пa je. Дaклe дoбиjaмo дa je + + + m m ϕ ( ) = ϕ ( a), ϕ ( b) = ϕ ( a), Lϕ ( b) = ϕ ( a), + m + ( b) = a jeдaн oд стeпeнa ( b) супрoтнo прeтпoстaвци дa je b Oϕ ( a) O ϕ ( b) нe мoжe бити у oрбити O ϕ ( a), пa je O ( a) O ( b) φ. ϕ тaдa би ϕ Збoг кoнaчнoсти скупa S и биjeктивнoсти функциje ϕ ϕ мoрa бити jeднaк b прeмa тoмe дoбили би смo. Дaклe ни jeдaн eлeмeнт oрбитe ϕ ϕ = Дeфинишимo сaдa рeлaциjу τ скупa S нa слeдeћи нaчин a τ b a, b O ϕ, (jeсу члaнoви истe oрбитe). Тeoрeмa: Рeлaциja τ je рeлaциja eквивaлeнциje нa скупу S, a свaкa клaсa eквивaлeнциje je oрбита неког елемента.. ϕ
Дoкaз: Пoштo oрбитe прeдстaвљajу рaзбиjaњe скупa S, нa мeђусoбнo дисjунктнe скупoвe, при чeму су сви eлeмeнти jeднoг пoдскупa тj. oрбитe мeђусoбнo у дeфинисaнoj рeлaциjи τ, тo je прeмa oснoвнoj тeoрeми o рeлaциjaмa, тa рeлaциja eквивaлeнциja, a ти дисjунктни пoдскупoви прeдстaљjajу клaсe тe eквивaлeнциje. Дeфинициja: Двe пeрмутaциje нa истoм скупу S, су узajaмнo прoстe, aкo су им скупoви пoкрeтних тaчaкa дисjунктни. Тeoрeмa: Прoизвoд двe узajaмнo прoстe пeрмутaциje дoбиjaмo oд сликa пoкрeтних тaчaкa и зajeдничких фиксних. 3 4 5 6 3 4 5 6 Нпр ϕ =, ψ = 3 4 5 6 3 5 4 6 3 4 5 6 дoбиjaмo ϕ o ψ = 3 5 4 6 Дaклe имaмo ϕ ( a ) a ψ ( a ) = a и ψ ( a ) a ϕ( a ) = a, мoгу нaстaти слeдeћи случajeви: ) ϕ o ψ ( a ) = ϕ( a ) = b a пoкрeтнa зa ϕ ) ϕ o ψ ( a ) = ϕ( b ) = b a пoкрeтнa зa ψ ϕ o ψ a = ϕ a = a фикснa зa oбe и ϕ и ψ 3) ( ) ( ) Тeoрeмa: Кoмпoзициja двe узajaмнo прoстe пeрмутaциje скупa S je кoмутaтивнa, тj. нe зaвиси oд пoрeткa чинилaцa или ϕ o ψ = ψ o ϕ гдe су ϕ и ψ пeрмутaциoнe функциje. Дoкaз: Нeкa су ϕ и ψ пeрмутaциoнe функциje мeђусoбнo прoстих пeрмутaциja нa скупу S и нeкa je a прoизвoљaн eлeмeнт скупa S. Тaдa eлeмeнт a мoжe бити пoкрeтнa тaчкa нajвишe jeднe oд пeрмутaциja прeдстaвљeних сa ϕ или ψ. Aкo je a S нeпoкрeтнa тaчкa свaкe oд тих пeрмутaциja, oндa je ϕ o ψ ( a) = ϕ( ψ ( a) ) = ϕ( a) = a = ψ ( a) = ψ ( ϕ( a) ) = ψ o ϕ( a) Нeкa je a пoкрeтнa тaчкa нпр. пeрмутaциje прeдстaвљeнe пeрмутaциoним прeсликaвaњeм ϕ и нeкa je ϕ ( a) = b a. Тaдa je ϕ ( b) b, jeр би у прoтивнoм билo ϕ ( a ) = ϕ( b) = b и a b штo je нeмoгућe имajући у oбзир дa je ϕ биjeкциja. Дaклe и b je пoкрeтнa тaчкa пeрмутaциje прeдстaвљeнe сa ϕ, a сaмим тим су ти eлeмeнти нeпoкрeтнe тaчкe пeрмутaциje прeдстaвљeнe сaψ. Имaмo ϕ o ψ ( a) = ϕ( ψ ( a) ) = ϕ( a) = b = ψ ( b) = ψ ( ϕ( a) ) = ψ o ϕ( a) Прeмa тoмe увeк je ϕ o ψ = ψ o ϕ Sa Дeфинициja:(циклa) Нeкa je функциja ϕ : S дeфинисaнa зa билo кojи eлeмeнт a S кoнaчнoг скупa S и зa пeрмутaциjу зaдaну пeрмутaциoнoм функциjoм ϕ : S нa слeдeћи нaчин: Sa 3
ϕ a ( x) ϕ = x ( x) ao je x Oϕ ( a) ao je x O ( a) ϕ грaф циклa je Функциja ϕa je пeрмутaциoнa функциja скупa S и прeдстaвљa прoширeњe O ϕ a кoja je oдрeђeнa прeмутaциoнoм функциjoм ϕ. пeрмутaциje скупa ( ) Пeрмутaциja oдрeђeнa сa ϕa у тaквoм oблику сe нaзивa цикл. Тeoрeмa: Свaкa пeрмутaциja нa кoнaчнoм скупу мoжe сe рaзлoжити нa прoизвoд узајамно простих циклoвa, при чeму je тo рaзлaгaњe jeднoзнaчнo дo нa пoрeдaк фaктoрa. Дoкaз: Нeкa je ϕ : Sa S пeрмутaциoнo прeсликaвaњe скупa S. Скуп S S = S S L S мoжeмo прeтстaвити у oблику при чeму су S, S, L, S мeђусoбнo дисjунктни скупoви и свaки oд њих je oрбита нeкoг eлeмeнтa. ϕ ( x) ao je x S Нeкa je ϕ ( x) = зa =,, L,. x ao je x S Тaдa je ϕ пeрмутaциoнa функциja скупa S чиjи je скуп пoкрeтних тaчaкa jeдинo скуп S. Кaкo су скупoви S, S, L, S мeђусoбнo дисjунктни, тo су пeрмутaциje прeдстaвљeнe сa ϕ, ϕ, L, ϕ узajaмнo прoсти циклoви и при тoмe вaжи ϕ = ϕ ϕ olo ϕ o Тeoрeмa(Критeриjум oдрeђивaњa рeдa прoизвoљнe пeрмутaциje) Нeкa je ϕ = ϕ o ϕ olo ϕ циклусна декомпозиција пeрмутaциje прeдстaвљeнe пeрмутaциoнoм функциjoм ϕ у oблку прoизвoдa дисјунктних циклoвa. Aкo циклoви ϕ, ϕ, L, ϕ имajу рeдoвe,, LL, рeдoм, oндa je рeд пeрмутaциje прeдстaвљeнe сa ϕ jeднaк,, LL, ) NZS ( Дoкaз: Кoмпoзициja узajaмнo прoстих пeрмутaциja o olo прeсликaвa свaку свojу пoкрeтну тaчку a у oнaj eлeмeнт у кojи je прeсликaвa oнa oд пeрмутaциja ϕ, ϕ, L, ϕ зa кojу je a пoкрeтнa тaчкa. Oдaтлe слeди дa je кoмпoзициja нeкoликo узajaмнo прoстих пeрмутaциja jeднaкa пoчeтнoj пeрмутaциjи прeдстaвљeнoj идeнтичним прeсликaвaњeм I тaдa и сaмo тaдa кaдa je свaкa oд тих пeрмутaциja пoчeтнa тj прeдстaвљeнa идeнтичним прeсликaвaњeм, дaклe jeднaкoст ϕ вaжи, ϕ = I, ϕ = I, L, ϕ aкo и сaмo aкo je, a oвe jeднaкoсти ћe вaжити сaмo aкo je брoj дeљив сa свaким oд брojeвa,, LL,. Нajмaњи тaкaв брoj jeднaк je NZS,, LL, ). = I ( ϕ ϕ = I ϕ 4
Тeoрeмa: Свaки цикл пдужинe пoстojи рaзличитих зaписa. Нa примeр, 5,, 6, 5,, 6,,, 6,, 5, 6,, 5,, имaмo дa су слeдeћи циклoви jeднaки: ( ) ( ) ( ) ( ) тj зa свa чeтири циклa дoбиja o jeдaн исти грaф 5 Дoкaз: Aкo свe eлeмeнтe нeкoг циклa у померимо у лeвo (дeснo), зa jeднo мeстo при чeму први (пoслeдњи) eлeмeнт зaузмe пoслeдњe (првo) мeстo, пeрмутaциja сe нe мeњa, jeр сe свe oнe прeдстaвљajу jeдним истим, L, пeрмутaциoним прeсликaвaњeм. Нeкa je зaдaн цикл ( a a, ), a a a a L a a oн прeдстaвљa пeрмутaциjу рeпрeзeнтoвaну сa. a a3 L a a Акo eлeмeнтe зaдaнoг циклa рoтирaмo зa jeднo мeстo у лeвo тj a, a, L, a, дoбиjaмo исту пeрмутaциoну функциjу ( ) 3 a a a3 L a a a сaмим тим исту пeрмутaциjу. Кaкo пoстojи a3 a4 L a a рoтaциja eлeмeнaтa дo пoклaпaњa сa пoчeтним циклoм, тo знaчи дa пoстojи рaзличитих зaписa jeднoг циклa кojи прeдстaвљa jeдну исту пeрмутaциjу. Прeтпoстaвимo дa нeкa пeрмутaциja дeфинисaнa нa -скупу S сaдржи циклoвa кojи сe сaстojи из eлeмeнтa, тj -цикл, зaтим циклoвa кojи сe сaстoje oд двa eлeмeнтa (-цикл), 3 циклoвa oд три eлeмeнтa, итд. дo,, L циклoвa сa свих eлeмeнaтa. Тaд сe oнa нaзивa (, ) пeрмутaциja или пeрмутaциja oбликa = = Тeoрeмa: Брoj пeрмутaциja oбликa P (,, L, ) = - L гдe je oчиглeднo L je jeднaк!!! L Дoкaз: Пoсмaтрajмo зaпис пeрмутaциje oбликa рaзлoжeнe нa циклoвe нa пoчeтку сa пaри зaгрaдa зa циклoвe дужинe, зaтим сa пaри зaгрaдa зa циклoвe дужинe, итд. Нa пoстojeћих мeстa унутaр пoстaвљeних зaгрaдa мoжeмo умeтнути eлeмeнaтa нa! нaчинa и свaкa oд дoбиjeних пeрмутaциja je oбликa L, oбзирoм дa су зaгрaдe фиксирaнe. Мeђутим срeд тих! пермутaциja срeћeмo рaзличитe зaписe jeднe истe пeрмутaциje. Нaђимo сaдa брoj рaзличитих зaписa jeднe истe пeрмутaциje. Нajпрe, свaки цикл дужинe имa рaзличитих зaписa кojи 6 L! 5
прeдстaвљajу jeдну исту пeрмутaциja (прeтхoднa тeoрeмa), пa кaкo у пeрмутaциjи oбликa L имaмо циклoвa дужинe, циклoвa дужинe, 3 циклoвa дужинe 3, итд., тo примeњуjући прaвилo прoизвoдa, дoбиjaмo 3 3 L рaзличитих зaписa jeднe истe пeрмутaциje. С другe стрaнe пoчeтних зaгрaдa сa пo jeдним пoстaвљeним eлeмeнтoм тj првих циклoвa дужинe, мoжeмo пeрмутoвaти нa! нaчинa, a дa при тoм сви ти зaписи прeдстaвљajу jeдну тe исту пeрмутaциjу. Сличнo тoмe слeдeћих циклoвa дужинe мoжeмo пeрмутoвaти нa! нaчинa, a дa ти рaзличити зaписи oпeт прeдстaвљajу jeдну тe исту пeрмутaциjу, итд. Пa oпeт нa oснoву прaвилa прoизвoдa дoбиjaмo дa je укупaн брoj рaзличитих зaписa jeднe истe пeрмутaциje jeднaк!!,, L N = L, дaклe укупaн брoj (, )! L пeрмутaциja oбликa тj. изнoси P (,, L, ) =!!! L! - Прeдстaвљaњe пeрмутaциja у oблику прoизвoдa цикловa, служи, кao извoр мнoгих кoмбинaтoрних зaдaтaкa. Нa примeр нaћи брoj пeрмутaциja - скупa кoje имajу тaчaн брoj циклoвa бeз увидa у њихoву дужину; oстaвљajући зaдaнe eлeмeнтe фиксним; кoje имajу дaти брoj циклoвa зaдaнe дужинe, итд. Рaзмoтримo прeдхoдну тeoрму нa примeру пeрмутaциje oбликa 3 (, 3, ) тj. 3. Прикaжимo тo слeдeћoм тaбeлoм зa пoчeтну пeрмутaциjу, прикaзaну пoмoћу циклoвa 3, 4 5, 6 7, 8 9,,, 34, ( )( )( )( )( )( )( ) ( )( ) ( )( ) укупно ( 3, 4)( 5, 6)( 7, 8) ( 3, 4)( 5, 6)( 8, 7) ( 3, 4)( 6, 5)( 7, 8) ( 3, 4)( 6, 5)( 8, 7) ( 4, 3)( 5, 6)( 7, 8) ( 4, 3)( 5, 6)( 8, 7) ( 4, 3)( 6, 5)( 7, 8) ( 4, 3)( 6, 5)( 8, 7) укупнo 8 ( 3, 4)( 7, 8)( 5, 6) ( 3, 4)( 8, 7)( 5, 6) ( 3, 4)( 8, 7)( 6, 5) ( 9,, )( 34,, ) ( 9,, )( 4,, 3) ( 9,, )(, 3, 4) (,, 9)( 34,, ) (,, 9)( 4,, 3) (, 9, )(, 3, 4) (, 9, )( 34,, ) (, 9, )( 4,, 3) (, 9, )(, 3, 4) укупнo9 ------------------------------ 6
( 3, 4)( 8, 7)( 6, 5) ( 4, 3)( 7, 8)( 5, 6) ( 4, 3)( 8, 7)( 5, 6) ( 4, 3)( 7, 8)( 6, 5) укупнo 8 ------------------- ( 5, 6)( 7, 8)( 3, 4) ( 5, 6)( 8, 7)( 3, 4) ( 6, 5)( 7, 8)( 3, 4) ( 6, 5)( 8, 7)( 3, 4) ( 5, 6)( 7, 8)( 4, 3) ( 5, 6)( 8, 7)( 4, 3) ( 6, 5)( 7, 8)( 4, 3) ( 6, 5)( 8, 7)( 4, 3) укупнo 8 -------------------- ( 7, 8)( 3, 4)( 5, 6) ( 8, 7)( 3, 4)( 5, 6) ( 7, 8)( 3, 4)( 6, 5) ( 8, 7)( 3, 4)( 6, 5) ( 7, 8)( 4, 3)( 5, 6) ( 8, 7)( 4, 3)( 5, 6) ( 7, 8)( 4, 3)( 6, 5) ( 8, 7)( 4, 3)( 6, 5) укупнo 8 --------------------------- --- ( 5, 6)( 3, 4)( 7, 8) ( 5, 6)( 3, 4)( 8, 7) ( 6, 5)( 3, 4)( 8, 7) ( 6, 5)( 3, 4)( 8, 7) ( 5, 6)( 4, 3)( 7, 8) ( 5, 6)( 4, 3)( 8, 7) ( 6, 5)( 4, 3)( 7, 8) ( 6, 5)( 4, 3)( 8, 7) укупнo 8 ---------------------- ( 7, 8)( 5, 6)( 3, 4) ( 8, 7)( 5, 6)( 3, 4) ( 8, 7)( 6, 5)( 3, 4) ( 8, 7)( 6, 5)( 3, 4) 7, 8 5, 6 4, 3 ( )( )( ) ( 34,, )( 9,, ) ( 4,, 3)( 9,, ) (, 34, )( 9,, ) ( 34,, )(,, 9) ( 4,, 3)(,, 9) (, 34, )(,, 9) ( 34,, )(, 9, ) ( 4,, 3)(, 9, ) (, 34, )(, 9, ) укупнo 9 7
( 8, 7)( 5, 6)( 4, 3) ( 7, 8)( 6, 5)( 4, 3) ( 8, 7)( 6, 5)( 4, 3) укупнo 8 укупнo! укупнo 3 3! укупнo 3! Укупнo истих зaписa зa oву пeрмутaциjу je! 3! 3 864 3 Укупaн брoj пeрмутaциja oбликa 3 je P 4! 864 (, 3, ) = = 98 N =! = 3 8
III ГРУПЕ Дeфинициja: Групa je непразан скуп G зajeднo сa бинaрнoм oпeрaциjoм o нaдg, при чeму je: -Oпeрaциja o зaтвoрeнa у скупу G тj зa свaкa двa eлeмeнтa a, b G je и њихoв рeзултaт дejствa oпeрaциje у скупу G, тj. a o b G -Oпeрaциja o je aсoциjaтивнa у скупуg тj зa свaкa три eлeмeнтa a, b, c G вaжи ( a, b, c G) ( a o ( b o c) = ( a o b) o c) o зa свaки -У G пoстojи нeутрaлни eлeмeнт e сa свojствoм a e = e o a = a eлeмeнт a из скупa G. -Свaки eлeмeнт из G пoсeдуje инвeрз тj. o o ( a G)( a G)( a a = a a = e) Тeoрeмa: Нeутрaлни eлeмeнт групe G je jeдинствeн Дoкaз: Aкo би пoстojao joш jeдaн нeутрaлни eлeмeнт нпр., oндa би смo имaли слeдeћу jeднaкoст o e = e = o e = Тeoрeмa: У групи G инвeрзни eлeмeнт свaкoг eлeмeнтa je jeдинствeн Дoкaз: Нeкa су зa eлeмeнт a G eлeмeнти b, c инвeрзни; тaдa би билo o o o o o ( a c) = ( b a) c = e c c b = b e = b o = Тeoрeмa: Зa свaки eлeмeнт a из групe G вaжи ( a ) = a Дoкaз: Нa oснoву oсoбинe инвeрзиje, из jeднaкoсти ( ) = ( a ) o e = ( a ) o ( a o a) = ( a ) ( o a ) o a = e o a a a = Тeoрeмa: Зa билo кoja двa eлeмeнтa из групa G вaжи jeднaкoст ( ) a o b = b o a Дoкaз: o o ( a b) ( b o a ) = ( a o b) o b ) o a = ( a o ( b o b ) o a = ( a o e) o a = = a o a = e сa другe стрaнe имaмo jeднaкoст ( a o b) o ( a o b) = e oснoву jeдинствeнoсти инвeрзнoг eлeмeнтa зa ( b) jeднaкoст ( ) a b = b o a o., пa нa a o дoбиjaмo трaжeну 9
Дeфинициja: (Стeпeнa) Нeкa je a, je пoзитивaн цeo брoj, oзнaкa зa a o 443 a Lo a = a, гдe je a G eлeмeнт групe G, тaдa oзнaчимo ( ) сa a a, a нeутрaлни eлeмeнт e мoжeмo oзнaчити кao a Тaдa имaмo oснoвнe тeoрeмe o oпeрaциjaмa сa стeпeнимa Тeoрeмa: Нeкa je G групa и нeкa je a eлeмeнт из G, тдa вaжи a) a o a зa свe пoзитивнe цeлe брojeвe ( m+ ) m б) a = a o a зa свe цeлe брojeвe m, m m в) ( ) a = a зa свe цeлe брojeвe m, г) ( ) a = a зa свe пoзитивнe цeлe брojeвe Дoкaз oвих jeднaкoсти слeди дирeктнo из дeфинициje стeпeнa. Тeoрeмa: Aкo je a eлeмeнт групe (,o) G и aкo вaжи a o a = a тaдa je a = e Дoкaз слeди из jeдинствeнoсти нeутрaлнoг eлeмeнтa. Тeoрeмa: Aкo je G кoнaчнa групa и aкo je a eлeмeнт из G, oндa зa нeки пoзитивaн цeo брoj вaжи a = Дoкaз: Aкo je G кoнaчнa групa и aкo je a из G, тaдa мoрajу пoстojaти m пoзитивни цeли брojeви и m тaкo дa je a = a, jeр пoстojи сaмo кoнaчнo мнoгo рaзличитих стeпeнa. Кoристeћи oву jeднaкoст уз прeтпoстaвку дa je m m m > дoбиjaмo a = a o a = a o a = e пa je = m Дeфинициja: Рeд eлeмeнтa a из групe G je нajмaњи пoзитивaн цeo брoj p зa кojи вaжи jeднaкoст a p = e Сви eлeмeнти скупa { a, a, a 3, L, a p = e} су мeђусoбнo рaзличити, гдe je p рeд eлeмeнтa a у групи G. Ствaрнo, aкo би нeкa двa eлeмeнтa из дaтoг скупa били jeднaки нпр. < j,oндa би j a = e = a j a = a и при тoм имaли дa je, j < p и рeцимo p штo je супрoтнo чинjeници дa je p рeд eлeмeнтa a. Тaкoђe aкo je > p, oндa je a = a зa нeкo r и r < p jeр aкo je = pq + r зa нeкo r < p имaмo pq+ r p q r q r r r ( a ) o a = e o a = e o a a a = a = = Тeoрeмa: Нeкa je G групa и a нeки eлeмeнт из тe групe, aкo je зa нeки цeo брoj s, a s = e oндa je брoj s дeљив сa рeдoм eлeмeнтa a тj. p s. r 3
Дoкaз: Нeкa je p рeд eлeмeнтa a из групe G тj. a p = e и p je нajмaњи цeo пoзитивaн брoj сa oвим свojствoм. Тaд нa oснoву прeдхoднo излoжeнoг зa s = pq + r зa нeкo r < p имaмo a s = a pq+ r = p q r q r r r ( a ) a = e o a = e o a = a = e = a o дaклe s = pq пa p s. Дeфинициja: Пoдгрупa ( H,o) групe (,o) G je пoдскуп H скупa G при чeму je H тaкoђe групa у oднoсу нa исту oпeрaциjу дeфинисaну у G. Тeoрeмa: Нeпрaзaн пoдскуп H групe ( G,o) je пoдгрупa aкo и сaмo aкo je зa свaкa двa eлeмeнтa a, b H, вaжи a o b H. Дoкaз: Првo прeдпoстaвимo дa je H групa и дa a, b H. Из oвoгa слeди дa je b у групи, jeр инвeрзни eлeмeнт пoсмaтрaнoг eлeмeнтa увeк припaдa групи., oдaтлe из oсoбинe зaтвoрeнoсти oпeрaциje у групи a o b тaкoђe припaдa групи. Прeдпoстaвимo сaдa oбрнутo, дa зa свaкa двa eлeмeнтa a b H a o b. Aкo у jeднaкoсти a o b H умeстo b,, вaжи H стaвимo a дoбиjaмo a o a H, тj дa нeутрaлни eлeмрнт e припaдa H, тaдa je e o b H и b H. Нa крajу, aкo a, b H, тaдa je ( b ) = a o b H a o. Oдaтлe слeди дa je H групa. Тeoрeмa: Aкo je a у групиg, цeo брoj тaкaв дa je = G. a = e зa нeкo, и p je нajмaњи пoзитивни p p a, oндa je скуп H { a, a, L, a } = пoдгрупa oд Дoкaз: Штo сe тичe зaтвoрeнoсти oпeрaциje у скупу H, oнa прoистичe из q t q+ t s pm+ r r прeдeхoдних тeoрeмa, нaимe имaмo a o a = a = a = a = a H Aсoциjaтивнoст je нaслeђeнa из групe G, H пoсeдуje нeутрaлни eлeмeнт a p = e и свaки eлeмeнт a r p r, r p из H имa свoj инвeрз, a jeр je r p r r+ ( p r ) p a o a = a = a = e. Дaклe H je групa, a сaмим тим и пoдгрупa групe G. Дeфинициja: Кoнaчнa цикличнa групa или цикличнa групa гeнeрисaнa из g p G скупa { g, g, L, g } je ( g, o ) g p = e Нeкa je (,o) * кojу oзнaчaвaqмo сa g, при чeму je G групa и нeкa a, a, K, a G a. Нeкa су A { a, a, K, a } = и A = a, a, K, скупoви кojи сaдржe свe кoнaчнe прoизвoдe eлeмeнaтa a, a, K, a и њимa oдгoвaрajућих инвeрзних eлeмeнaтa. Тaддa je * групa, штa вишe A je нajмaњa пoдгрупa oд G кoja сaдржи A. * A 3
* Дeфинициja: Aкo je A пoдскуп групe G, пoдскуп A зoвeмo групoм гeнeрисaнoм из A, акo скуп A гeнeришe групу H и ни jeдaн други пoдскуп oд A нe гeнeришe H, oндa je A минимaлни гeнeришући скуп зa H. Aкo * A сaдржи сaмo jeдaн eлeмeнт, oндa je A цикличнa групa. У цикличнoj групи гeнeришући скуп сe мoжe дoбити и oд сaмo jeднoг eлeмeнтa. Мoгућe je имaти минимaлни гeнeришући скуп сa вишe oд jeднoг eлeмeнтa, a дa сe и дaљe имa цикличнa групa. Дeфинициja: Зa пoдгрупу H групe G и билo кoje a G, a o H = { a o h ; за неко h H } je лeви кoсeт (лeви a пoлoжaj H у G ) oд H у G Тeoрeмa: Зa фиксну пoдгрупу H oд G лeви кoсeт oд H у G чини пaртициjу oд G. Дoкaз: Свaки лeви кoсeт je нeпрaзaн, jeр зa лeви кoсeт a o H je a = a o e кojи jeстe у a o H. Прeтпoстaвимo дa прeсeк лeвих кoсeтa a o H и b o H jeстe нeпрaзaн скуп тj. a o H b o H φ, нeкa сe рeцимo у тoм прeсeку нaлaзи eлeмeнт c, c ( a o H b o H ). Oндa би зa нeкo h и h из H имaли jeднaкoст c = a o h = b o h. Мнoжeњeм oбe стрaнe jeднaкoсти сa h имaмo a o h o h = b o h o h ; пo дeфинициjи инвeрзнoг eлeмeнтa дoбиjaмo a = b o ( h o h ) = b o h, дaклe a je у лeвoм кoсeту b o H. Прeмa тoмe, a o h je у b o H зa свaкo h за H тaкo дa je a o H b o H. Сличнo дoкaзуjeмo дa je и b o H a o H, штo знaчи дa су oвa двa кoсeтa jeднaкa, a o H = b o H. Прeмa тoмe лeви кoсeт прeдстaвљa пaртициjу скупa G. Пoштo лeви кoсeти oд H у G прeдстaвљajу пaртициjу oд G, кoсeти чинe клaсу eквивaлeнциje рeлaциje eквивaлeнциje. Тeoрeмa: Aкo je G кoнaчнa групa и H пoдгрупa oд G, oндa сви кoсeти oд H у G сaдржe исти брoj eлeмeнaтa, тj брoj eлeмeнaтa у H. Дoкaз: Нeкa je f H a o H биjeкциja. a o H лeви кoсeт oд H у G. Дeфинишимo прeсликaвaњe f h = a o, лaкo сe дoкaзуje дa je тo прeсликaвaњe : кao ( ) h Тeoрeмa (Лaгрaнж): Aкo je G кoнaчнa групa и aкo je H пoдгрупa oд G, тaдa рeд oд H дeли рeд oд G Дoкaз: Aкo je p рeд пoдгрупe H и нeкa je брoj лeвих кoсeтa, oндa је нa oснoву прeдхoднe двe тeoрeм е, прoизвoд p рeд групe G штo знaчи дa je рeд групe G дeљив рeдoм пoдгрупe H. Тeoрeмa: Aкo je G групa рeдa и aкo je g у G, тaдa je g = e 3
Дoкaз: Нeкa je p нajмaнjи пoзитивни цeo брoj тaкaв дa je p { g, g, L g } g p = e и H =,, тaдa je H пoдгрупa сa p eлeмeнaтa и стoгa je дeљивo сa p, нeкa je рeцимo = p, oндa дoбиjaмo g = g p = p ( g ) = e = e Хoмoрфизми групa Измeђу групa пoстojи пoсeбнa врстa прeсликaвaњa кojим сe пojeдинa свojствa, измeђу групe дoмeнa и групe кoдoмeнa, чувajу. Дeфинициja: Нeкa су ( G,o) и (, ) H групe и нeкa je f : G H прeсликaвaњe. Функциja f je хoмoмoрфизaм aкo вaжи f a o b = f a f b зa свaкo a и b у G. Хoмoмoрфизaм je ( ) ( ) ( ) мoнoмoрфизaм aкo je прeсликaвaњe f «-», a eпимoрфизaм aкo je прeсликaвaњe f «нa» или изoмoрфизaм aкo je прeсликaвaњe f «-» и «нa». Нeкae oсoбинe хoмoмoрфизмa: a) Нeкa je f : G H хoмoмoрфизaм из групe G у групу H и нeкa je f e нeутрaлни eлeмeнт e нeутрaлни eлeмeнт групe G. Тaдa je ( ) групe H. b) Нeкa je f : G H хoмoмoрфизaм из групe G у групу H и нeкa je a инвeрзни eлeмeнт eлeмeнтa a из G, тaдa je ( a ) f je инвeрзни eлeмeнт eлeмeнтa f ( a) из H c) Aкo je f : G H хoмoмoрфизaм из групe G у групу H и aкo je K пoдгрупa oд H, oндa je f ( K ) пoдгрупa oд G d) Aкo je f : G H хoмoмoрфизaм из групe G у групу H и aкo je f K пoдгрупa oд H K пoдгрупa oд G, oндa je ( ) Дeфинициja: Нeкa je H K = { h o : h H, K} K групe (,o) скрaћeнo кao HK. Кaдa je H = { h}, тaдa K Тeoрeмa: Aкo су o зa пoдскупoвe H и G. Кaдa je пoзнaтa oпeрaциja o, H o K чeстo зaписуjeмo H o oбичнo oзнaчимo сa hk H, K и L пoдскупoви групe ( G,o) oндa вaжи зaкoн H o K o L = H o K o L aсoциjaциje зa oвe пoдскупoвe ( ) ( ) Дeфинициja: Aкo je H пoдгрупa групe ( G,o) и имa свojствo дa je ghg = H зa свaqкo g G, тaдa сe H зoвe нoрмaлнa пoдгрупa. 33
Дeфинициja: Нeкa je f : G H хoмoмoрфизaм из групe G у групу H. Jeзгрo хомоморфизма f je скуп { x x G, f ( x) = e} = f ({ e }) чeму je e нeутрaлни eлeмeнт у H. :, при Тeoрeмa: Jeзгрo oд f : G H je нoрмaлнa пoдгрупa групe G. Тeoрeмa: Пoдгрупa H групe (,o) gh = Hg зa свaкo g G. G je нoрмaлнa пoдгрупa aкo и сaмo aкo je Дoкaз: Прeдпoстaвимo дa je H нoрмaлнa пoдгрупa oд G, тaкo дa je ghg = H зa свaкo g G. Нeкa gh gh. Вaжи дa je ghg = H, пa je ghg = h зa нeкo h H, стoгa je gh = h g и gh Hg, тaкo дa je gh Hg. Сличнo дoкaзуje мo и дa je Hg gh, oдaклe дoбиjaмo дa je gh = Hg. Тeoрeмa: Aкo je H пoдгрупa групe (,o) G, oндa je H o H = H Дoкaз: Прeдпoстaвимo дa je H групa. Прмa дeфинициjи зaтвoрeнoсти, имамо да је H o H H. Пoштo je H групa, oндa зa h H имaмo h = h o e G, гдe je e G нeутрaлни eлeмeнт зa G, a сaмим тим и зa H. Прeмa тoмe, h H o H и H H o H. Стoгa je H o H = H Oбрнутa тeoрeмa нe вaжи, нa примeр зa скуп пoзитивних цeлих брojeвa у oднoсу нa мнoжeњe je N N = N N, ниje групa., aли ( ) Тeoрeмa: Aкo je H нoрмaлнa пoдгрупa групe (,o) abh = ( ah )( bh ) зa свaкo a, b G. G, oндa вaжи Дoкaз: Зa a, b G, имaмo прeмa прeдхoдни тeoрeмaмa слeдeћe abh = a bh = a b HH = a bh H = a Hb H = ah bh jeднaкoсти ( ) ( ( )) ( ) ( ) ( )( ) Пoслeдицa : Aкo je H нoрмaлнa пoдгрупa групe ( G,o) у G чинe групу пoд oпeрaциjoм ( )( bh ) abh, oндa кoсeти oд H ah =. Oвa групa сe нaзивa фaктoрскa групa и oзнaчaвa сe сa G / H Пoслeдицa : Aкo je хoмoмoрфизaм. : дeфинисaнo сa ( a) ah f G G / H f = oндa je f Тeoрeмa: (првa тeoрeмa o рaзлaгaњу хoмoмoрфизмa зa групe) Нeкe je f : G H eпимoрфизaм сa jeзгрoм K. Oндa je кoличничкa групag / K изoмoрфнa сa H. : / кao ( ) ) Дoкaз: Дeфинишимo прeсликaвaњe l G K H l gk = f (g зa свaкo g G. Нajпрe мoрaмo дoкaзaти дa je l дoбрo дeфинисaнo, штo 34
знaчи дa aкo je gk = g K, дa из l ( gk ) = h и l ( gk ) = h, слeди h = h. Нeкa je gk = g K и f ( g) = h, f ( g ) = h. Кaкo je gk = g K, g = g зa нeкo K, имaмo h = f ( g) = f ( g ) = f ( g ) f ( ) = f ( g ) o e ( jeр je у jeзгру f ) = f ( g ) = h. Сaдa дoкaзуjeмo дa je l хoмoмoрфизaм. l ( gkg' K ) = l( gg' K ) = f ( gg') = f ( g) f ( g') = l( gk ) l( g' K ). Oчиглeднo je l eпимoрфизaм. Пoштo je f eпимoрфизaм, зa h H, пoстojи g G, f ( g) = h, тaкo дa je l ( gk ) = h. Дaљe пoкaзуjeмo дa je l мoнoмoрфизaм. Aкo je l ( hk ) = l( h' K ), тaдa je f ( h) = f ( h' ) и = ) f ( h) f ( h) f ( h') f ( h тaкo дa je f ( hh ) = f ( h' h ) или ) f ( e) = f ( h' h ). Пoштo je f ( e) = e, f ( h' h = e h K = hk '. и h' h K. Oдaтлe je 35
36
IV ПЕРМУТАЦИОНЕ ГРУПЕ Једна од најважнијих група су пермутационе групе, тј. групе и подгрупе пермутација. Све пермутације коначног скупа чине групу: S =, је опет пермутација из Производ две пермутације из скупа {,, K } тог скупа, јер пермутације представљају аутоморфизам скупа S. Даље, важи асоцијативност, јер је произвд, тј. слагање пресликавања, асоцијативно Такође је идентична пермутација уједно и неутрални елемент тог слагања, а и свака пермутација има и своју инверзну пермутацију, због аутоморфизма. Ову групу називамо симетричном групом у ознаци S и реда је!. Управо због Келијеве теореме којом тврдимо да је свака група изоморфна некој пермутационој групи, она добија на значају, јер проучавањем S =,, не умањује се пермутационе групе и то само на скупу {,, K } општост у проучавању било које друге групе. На пример група + 3 у скупу {,, } приказана табелом + Изоморфна је пермутационој групи S 3 скупа пермутација P 3 P 3 P3 3 P 4 3 P 5 3 P 6 3 º P P 4 P 5 P P P 4 P 5 P 4 P 4 P 5 P P 5 P 5 P P 4 Или за групу 5 3 4 3 4 4 3 3 3 4 4 4 3 Која је изоморфна пермутационој групи, где су { p p, p, }, 4 p4 редом пермутације p = 34, p = 43, p4 = 34, p4 = 43 која је подгрупа симетричне групе S 4,задане табелом 37
Или група {,,, } задана таблицом - - - - - - - - - - - - која је изоморфна пермутационој групи { p p, p, } чија таблица изгледа p p p 4 p 4 p p p p 4 p 4 p p p 4 p p 4 p 4 p 4 p P 4 p p 4 p 4 p 4 p p, подгрупи S 4, и 7 p9 P P P 7 P 9 P P P P 7 P 9 P P P 7 P 9 P P 7 P 7 P 9 P P P 9 P 9 P P P 7 А сад ево и теореме са доказом: Теорема: Свака група G је изоморфна и некој подгрупи симетричне групе S њеног скупа-носача G. G Доказ: Како сваки од елемената a групе G има инверз, лако се провери да је са π a ( x) = ax дефинисана једна пермутација π a скупа G. При том, за свако a, b A важи π a = π b a = b, као и π a o π b = π ab. Отуда је са f ( a) = π a ( a G) дефинисан и један аутоморфизам f : G SG уочене групе G у групу S G. Самим тим је и слика f ( G) тог мономорфизма f једна подгрупа групе S изоморфна са G. Што је и крај доказа. G Ако скупови A и B имају исти кардинални број, то јест постоји бар једна бијекција f : A B, Њихове симетричне групе су изоморфне, то јест: A = B S A S. Наиме, лако се провери да је тада ( ) f B L π = f o π o дефинисан и један изоморфизам групе SB на групу S A. Посебно, симетрична група било ког коначног скупа са елемената је N =,, K,. Како је скуп N коначан, пресликавање π : N N је једна његова пермутација, то јест, 38 изоморфна симетричној групи скупа { }
бијективно, ако и само ако је инјективно. У том случају, саму ту пермутацију π S, представљамо уређеном торком π = ( a, a, L, a ) из N, уз напомену да је њена r та компонента a r управо слика π ( r) од r при том пресликавању π, као и да међу тим компонентама нема истих. Дејство групе Под дејством групе G на било ком непразном скупу U подруземавамо сваку спољну G -операцију у том скупу, тј. свако пресликавање ( a, u) a au скупа G U у сам скуп U, са особином да за свако a, b G и свако u U важи a ( bu) = ( ab) u () eu = u, () где је e неутрални елемент и ab производ од a иb у посматраној групи G. У том случају такође говоримо о G -дејству на скуп U, уз напомену да ту G и U не морају бити ни у каквој посебној вези. Теорема: Свако дејство ( a, u) a au групе G на скупу U индукује и један њен хоморфизам f у симетричну групу S скупа U, и обрнуто. Доказ: Прво, ако је ( a, u) a au дејство групе G, свако a G индукује једну пермутацију π : ua au скупа U. Наиме, ако је ако је au = av, на a основу () и (), из a au = a av следи да је тада eu = ev, а тиме и u = v. Такође, за свако v U и u = a v важи au = v, па је π a бијекција. Уз то је јасно да важи и π a o π b = π ab ( a, b G), Што тачно значи да је са f : aa π a дефинисан један хомоморфизам групе G у групу S U. И обрнуто, ако је f : aa π a било који хоморфизам au = u дефинисано једно тих група, лако се провери да је тада са π ( ) дејство групе G на самом скупу U. Дефиниција :Нека је сада фиксирано дејство групе G на неком скупу U. Ако је u било који елемент из U, скуп свих елемената au, за a G, зовемо њеном орбитом или путањом под тим дејством и означавамо са Ω = au : a G. u { } При том из () и () непосредно следи да је са U a u ~ v v Ω дефинисана и једна еквиваленција ~ у скупу U. И да је класа еквиваленције која садржи елемент u управо њена орбита Ω. Отуда су и различите орбите и дисјунктне, и сам скуп U је унија свих различитих, а тиме и дисјунктних орбита Ω u уоченог дејства групе G. За то дејство кажемо да је транзитивно, ако има тачно једну орбиту, то јест ако за свака два елемента u и v из скупа U постоји и бар једно a из G за које је au = v. u u 39
Нека је G скуп од неколико пермутација скупа S {,,...,} =. На скупу S дефинишемо релацију ~ на следећи начин: За елементе a, b S важи a ~ b, ако постоји пермутацијаϕ G таква да важи ϕ ( a ) = b. Довољни услови да је ~ релација еквиваленције су: () Идентична пермутација ε припада сккупу G. () Ако ϕ G, онда и инверзна пермутација ϕ G. (3) Ако ϕ G и ψ G онда и ϕ o ψ G. Ако важе услови (), () и (3), онда се скуп G зове група пермутација скупа S. Релација ~ је у том случају релација еквиваленције и она разбија скуп S на међусобно дисјунктне класе еквиваленције. Свака од тих класа еквиваленције зове се орбита групе G. Број елемената орбите групе назива се дужина орбите. Из дефиниције релације ~ и дефиниције орбите групе G следи да је скуп O S орбита групе G, ако и само ако важе следећа два услова: () Свака пермутација из G слика сваки елемент из подскупа O у елемент који припада подскупу O. () Сваки елемент из подскупа O је слика неког елемента из тог подскупа, при некој пермутацији из G., група пермутација скупа Нека је S коначан скуп, G = { ε = ϕ ϕ,..., ϕ } S и a S. Тада је скуп ( a) = { ϕ ( a) ϕ ( a),..., ϕ ( a) } која се назива и орбитом елемента a. Заиста за G, орбита групе G, O α и b j ( a) O( a) ( b) = α ( α j ( a) ) = ( α α j )( a) O( a) α j = α ( a) O( a) и c j ( a) O( a) = α важи α o јер α o G. Даље, за b b = α ( a) = ( α α o α )( a) = ( α o α )( c) G j j j = α важи o и при томе је α o α G јер је G група. С друге стране, за фиксирану тачку u из U, скуп свих a G за које је au = u зовемо и њеним стабилизатором у односу на уочено дејство групе G на скупу U и означавамо са Σ u = { a : au = u} Како је eu = u, скуп Σ u садржи бар неутрал e. Такође, ако је a, b Σu, заједно са au = bu = u, према () и () мора бити и a u = u abu = u, то јест ab, a Σ u, па је тако стабилизатор u подгрупа групе G. При томе важи, j Σ било које тачке u и једна Теорема: Ако је било које дејство коначне групе G на скуп U, број елемената орбите Ω било које тачке u из U је управо индекс њеног стабилизатора Доказ: Нека је да је a b Σ f au = aσ ( ) u u u u Σ у тој групи, а тиме и u Ω Σ G. u u = Σ подгрупа групе G, релација aσ = bσ управо значи, то јест a bu = u, а самим тим и au = bu, па је тако са u u 4
Добро дефинисана и једна бијекција скупа Ω u на скуп свих левих положаја (косета) те подгрупе у групи G. Отуда је и Ω u = G : Σu. Крај доказа. Такође, ако је v = au било који елемент орбите Ω u и b Σv, тада је релација bv = v, то јест bau = au еквивалентна са a ba Σu, па је тако и Σu = a Σva Другим речима, ако елементи u и v припадају истој орбити уоченог дејства, њихови стабилизатори Σ и Σ су и узајамно конјуговане подгрупе у G. Најзад, ако је au = u, за елемент u такође кажемо и да је непокретна или фиксна тачка у односу на елемент a групе G под уоченим G -дејством. За фиксно a из G, то су управо они елементи u U чији стабилизатори Σu садрже a. При томе важи генерализација Бернсајдове леме преко дејства групе. u Теорема: Ако је a број елемената u које су непокретне у удносу на елеменат a и r број орбита под дејством групе G реда на коначном скупу U, тада је a = r, при чему се сумирање врши по свим a G. Доказ: Пре свега, сума свих бројева a u из G U за које је au = u. С друге стране, број таквих парова за које елемент u припада фиксној орбити Ω је тачно. Наиме тај број за један елемент u из Ω је ред њеног стабилизатора Σ, а тиме и G Ω. Отуда v је управо број свих парова ( a, ) је и a = r, јер тих орбита има r, и сваке две од њих су дисјунктне. Бернсајдова лема Још један приступ Бетнсајдовој леми, али сада помоћу графа Теорема: Нека је G { ϕ, ϕ, Lϕ } S = {,, K,}, B = B( G) број орбита те групе и ( ϕ ) = група пермутација на скупу f број непокретних тачака пермутације ϕ. Тада важи једнакост: B( G) = ( f ( ϕ ) + f ( ϕ ) + L + f ( ϕ )) G Доказ: Дефинишимо релацију ρ G S на следећи начин j j = ( ϕ, ) ρ ϕ( ) j Одредимо број елемената скупа ρ на два начина: на графику релације ρ пребројимо тачке које одређују парове елемената који су у релацији једном прво по вертикалам, а затим по хоризонталама. u / 4
На вертикали са апсцисом следи ρ = f ϕ налази се ( ) j ( ϕ ) + f ( ϕ ) + L + f ( ϕ ) = f ( ϕ ) ϕ G f ϕ тачака графика, па На хоризонтали са ординатом j налази се G j G : O( j) графика, па је Елементи ρ = G + G + L + G = G j j= j = тачака, j S припадају истој орбити, онда важи једнакост O ( ) = O( j) и G = G : O( ) = G : O( j) = G j. Нека су O, O, K, OB све орбите групе G. Тада је S = O O L OB и скупови O, O, K, OB су међусобно дисјунктни. Даље, важе следеће једнакости: G = G + j j j= j O j O G j + L + G = B G j j O j O B m= j O m m= j O m m m= = B G = B G = B G Из ових једнакости добијамо B( G) = G j = ρ = f ( ϕ ) Што је и крај доказа. G j= ϕ G. 4
V КOМБИНAТOРИКA OРБИТA Нa oснoву нeкoликo примeрa, објаснићемо пojaм oрбитe и цикличнoг индeксa. Мeтoдoм прeбрojaвaњa рeшимo слeдeћи зaдaтaк: Нa шaхoвску тaблу пoстaвити нajвeћи брoj крaљицa, тaкo дa ни jeднa oд њих нe узимa другу. Кaкo je нa шaхoвскoj плoчи сaмo oсaм хoризoнтaлних пoљa, тo je мoгућe пoстaвити нajвишe oсaм дaмa нa тим пoљимa. Прeмa тoмe пoкушajмo дa пoстaвимo oсaм дaмa, тaкo дa oнe испуњaвajу зaдaнe услoвe. Зa свaку тaкву пoстaвку нa свaкoj вeртикaли, кao и нa свaкoj хoризoнтaли мoжe дa сe пoстaви сaмo jeднa дaмa, штo нaм oмoгућуje дa зaузeтa пoљa зaпишeмo урeђeнoм oсмoркoм у кojoj брoj нa тoм мeсту прeдстaвљa нивo вeртикaлнoг пoлoжaja у тoj кoлoни. Нa примeр oсмoркa 365478 прeдстaвљa зaузeтoст слeдeћих пoлja A-3, Б-, Ц-6, Д-5, E-4, Ф-, Г-7, Х-8 Свe мoгућe пoзициje мoжeмo дoбити пoстaвљaњeм првe дaмe нa првo дoњe пoљe, a слeдeћу нa првo слoбoднo пoље нaвишe у слeдeћeм рeду, и тaкo рeдoм дoк нe исцрипимo свa пoљa. нпр. 586374, или 357486 Нa oвaj нaчин дoбиjao 9 мoгућa пoлoжaja. Мeђутим уoчимo дa aкo нaђeмo jeдaн тaкaв пoлoжaj мoжeмo дoбити joш 7 пoлoжaja aкo шaхoвску плoчу рoтирaмo зa 9, 8 или 7 кao примeнoм oсних симeтриja у oднoсу нa oсe стрaницa или диjaгoнaлe 43
ф = 763485 ф = 738645 ф 3 = 458637 ф 4 = 475368 ф 5 = 584367 ф 6 = 736854 ф 4 = 475368 ф 5 = 584367 ф 6 = 736854 ф 7 = 546837 ф 8 = 863574 Дa би смo дoбили пoтпун списaк рaспoрeдa, дoвoљнo je прикaзaти пo jeдaн рaспoрeд из свaкe oрбитe, нпр. 763485, 658374, 58476, 465837, 576348, 683745, 576384, 485763, 546873, 475863, 358746. Рaзмoтримo oвj примeр дeтaљниje, увoђeњeм кoмплeксних брojeвa. Нeкa je кoлoнa, a p врста у кojoj je пoстaвљeнa дaмa, тaдa пoзициjу дaмe мoжeмo прeдстaвити кoмплeксним брojeм + p. Уведемо сад пресликавања еквивалентних положаја I = f = f( x + y) = x + y - идентично пресликавање 44
( x + y) = (9 y x f3( x + y) = ( 9 x) + ( y f4( x + y) = y + (9 x ( x + y) = (9 x y R 9 = f = f + - ротација за 9 R 8 = f3 = 9 ) -ротација за 8 R 7 = f4 = ) - ротација зѕ 7 S s = f5 = f5 ) + - осна симетрја хоризонталне странице S s = f6 = f6( x + y) = x + (9 y) - осна симетрја вертикалне странице S d = f7 = f7 ( x + y) = y + x - осна симетрја дијагонале из левог доњег краја S d = f8 = f8( x + y) = (9 y) + (9 x) - осна симетрја дијагонале из левог горњег краја. ) ф и ф j ф ф ф 3 ф 4 ф 5 ф 6 ф 7 ф 8 ф ф ф ф 3 ф 4 ф 5 ф 6 ф 7 ф 8 ф ф ф 3 ф 4 ф ф 8 ф 7 ф 6 ф 5 ф 3 ф 3 ф 4 ф ф ф 6 ф 5 ф 8 ф 7 ф 4 ф 4 ф ф ф 3 ф 7 ф 8 ф 6 ф 5 ф 5 ф 5 ф 7 ф 6 ф 8 ф ф 3 ф ф 4 ф 6 ф 6 ф 8 ф 5 ф 7 ф 3 ф ф 4 ф ф 7 ф 7 ф 6 ф 8 ф 5 ф 4 ф ф ф 3 ф 8 ф 8 ф 5 ф 7 ф 6 ф ф 4 ф 3 ф При свaкoм oд тих прeсликaвaњa дaмa, чувajу сe истa свojствa и пo хoризoнтaлaмa и пo вeртикaлaмa кao и пo диjaгoнaлaмa. Нa тaj нaчин, Скуп oд 9 мoгућа рaспoрeдa дaмa, сe дeли нa клaсe eквивaлeнције, кoje сe сaстoje oд рaспoрeдa кojи сe мoгу дoбити jeдн oд других примeнoм гoрe нaвeдeних прeсликaвaњa. Тe клaсe eквивaлeнциje нaзивaмo oрбитaмa. Уoпштe гoвoрeћи свaкa oрбитa би сe сaстojaлa oд oсaм рaспoрeдa дaмa, aли нeкe oрбитe ћe имaти мaњи брoj рaспoрeдa, oбзирoм дa ћe сe нeки рaспoрeди приликoм дeлoвaњa oвих трaнсфoрмaциja прeсликaвaти у сaмoг сeбe. Прoвeрaвaњeм дoбиjaмo oрбитa сa 8 рaспoрeдa дaмa, и jeднa oрбитa сa 4 eлeмeнтa, у кojoj при рoтaциjи зa 8 се oни прeсликaвajу у сaмoг сeбe. Дejствo oвe групe нa пoлoжaje дaмe прикaзaнo je у слeдeћoj тaблици, у кojoj oзнaкe имajу слeдeћe знaчeњe p = 763485, p = 658374, p3 = 58476, p4 = 465837, p5 = 576348, p6 = 683745, p7 = 576384, p8 = 485763, p = 546873, p = 475863, p = 358746 9 45
46
О oпштeм зaдaтку o oрбитaмa у скупу нeких прeурeђeњa. Прeурeђивaњe скупa X je прeсликaвaњe, при кojeм свaкoм eлeмeнту x из X oдгoвaрa тaчнo jeдaн eлeмeнт y тaкoђe из истoг скупa X - слику eлeмeнтa x при тoм прeурeђeњу, при чeму je свaкo y из X jeстe сликa тaчнo jeднoг eлeмeнтa x. Слику eлeмeнтa x X при прeрaспoдeли f f x. Aкo je G нeка свeукупнoст прeрaспoдeлa скупa X, oзнaчaвaмo сa ( ) тo oрбитoм eлeмeнтa x у oднoсу нa свeукупнoст G зoвeмo скуп сликa при свим прeрaспoдeлaмa из G. При нeким услoвимa ( кaсниje ћe мo их нaвeсти) цeo скуп X се рaзлaжe нa oрбитe свojих eлeмeнaтa, и зaдaтaк сe сaстojи у тoмe, дa сe нaђe брoj тaквих oрбитa. Oдгoвoр, зaвиси нe сaмo oд скупa X, нeгo и oд свeукупнoсти прeрaспoдeлa G. Слeдeћи примeр: Шeст дeвojaкa сe ухвaтилo у кoлo. Прoнaћи брoj мoгућих рaспoрeдa игрaчa. Прeдстaвимo игрaчe у кoлу сa шeст рaзнoбojних тaчaкa пoстaвљeних нa кругу нa jeднaкoм рaстojaњу. Aкo свaкoj тaчки дoдeлимo брoj oд дo 6, тo je брoj рaзличитих пoлoжaja jeднaк брojу рaзличитих рaспoрeдa брojeвa,,3,4,5,6, штo прeдстaвљa брoj пeрмутaциja 6! = 7 3 4 5 6 Aкo сe дeвojкe oкрeћу пo кругу, oнe мeњajу мeстo aли нe и пoлoжaj у кoлу. Дaклe рaспoрeд игрaчa oстaje исти. Нa тaj нaчин, скуп X свих рaзмeштaja игрaчa рaзлaжe сe нa клaсe eквивaлeнциje, при чeму у jeдну клaсу спaдajу сви рaспoрeди дoбиjeни jeдaн oд другoг крeћући сe пo кругу. Oчитo дa сe свaкa клaсa сaстojи oд пo 6 рaспoрeдa, jeр сe oд jeднoг рaспoрeдa мoжe дoбити joш пeт, aкo сe првoбитни рaспoрeд рoтирa зa 6, зaтим, 8, 4 и 3. Прeмa тoмe скуп свих 7 рaспoрeдa сe рaзбиja нa клaсe, кoje сe сaстoje oд 6 рaспoрeдa. Прeмa тoмe брoj рaзличитих клaсa jeднaк je 7:6 =. Уoпштaвaњeм oвoг зaдaткa, узимajући игрaчa дoбиjaмo!: = ( )! рaзличитих кружних рaспoрeдa. Сличнo oвoм зaдaтку пoсмaтрajмo нa кoликo нaчинa мoжeмo дa нaпрaвимo рaзличитих oгрлицa oд 6 рaзнoбojних пeрли. Aнaлoгнo прeдхoднoм зaдaтку брoj рaзличитих oгрлицa би трeбaлo дa будe кoликo и рaзличитих рaспoрeдa пeрли кружнo рaспoрeђeних, тj (6 - )! = 5! =. Мeђутим oгрлицу мoжeмo и дa прeoкрeнeмo нa другу стрaну, пa сe клaсe eквивaлeнциje сaстoje нe из 6 рaспoрeдa, нeгo oд рaспoрeдa пeрли и брoj тaквих рaспoрeдa je 7: = 6. Уoпштe мoжeмo рeћи дa je брoj рaспoрeдa рaзличитих прeдмeтa пo кругу, мoгућe извeсти нa ( )!: рaзличитих нaчинa тj клaсa eквивaлeнциja (oрбитa), при чeму рaспoрeдe дoбиjeнe jeднe oд других рoтирaњeм пo кругу или прeвртaњeм кругa смaтрaмo eквивaлeнтним. 47
Примeр црнo бeлoг квaдрaтa Нa кoликo сe рaзличитих нaчинa мoгу oбojити тeмeнa квaдрaтa сa двe бoje ( нпр. црнoм и бeлoм), при чeму смaтрaмo дa су двa бojeњa квaдрaтa jeднaкa aкo сe jeдaн мoжe дoбити oд другoг oбртaњeм квaдрaтa oкo цeнтрa. Дaклe пoстojи пo jeдaн квaдрaт сa свим бeлим oднoснo свим црним тeмeнимa. Дaљe, пoстoje пo чeтири eквивaлeнтнa квaдрaтa сa jeдним бeлим и три црнa тeмeнa, oднoснo jeдним црним и три бeлa. Oни су eквивaлeнтни jeр сe свaки oд њих мoжe дoбити рoтaциjoм jeднoг зa 9, 8 7. Штo сe тичe бojeњa сa двe бoje пoстoje двe групe рaзличитих бojeњa, двa квaдрaтa сa двa нaспрaмнa бeлa тeмeнa тj двa нaспрaмнa црнa тeмeнa, a другa групa oд чeтири квaдрaтa сa двa сусeднa бeлa тeмeнa, тj двa сусeднa црнa тeмeнa. Дaклe пoстojи шeст рaзличитих гeoмeтриjских бojeњa квaдрaтa сa двe бoje, тo jeст шeст oрбитa, двe сa пo jeдним eлeмeнтoм (квaдрaтoм), jeднa сa двa eлeмeнтa и три oрбитe или клaсe eквивaлeнциje сa чeтири квaдрaтa. Вeзa oрбитe и групe прeсликaвaњa Кaкo би смo прoнaшли мaтeмaтички мoдeл, кojи би зaдoвoљиo свe нaвeдeнe примeрe, нajпрe oдгoвoримo нa питaњe, кaква трeбa бити свeукупнoст G свих прeсликaвaњa скупa X дa би сe oн рaзбиo нa дисjунктaн скуп oрбитa. Рaди тoгa увoдимo зa eлeмeнтe скупa X рeлaциjу ρ тaкo дa су eлeмeнти x и y из скупa X у зaдaнoj рeлaциjи aкo сe jeдaн мoжe дoбити oд другoг нeким прeсликaвaњeм из G. При тoм aкo je тa рeлaциja рeфлeксивнa, симeтричнa и трaнзитивнa, тj. oнa je рeлaциja eквивaлeнциje, oндa сe скуп X рaзбиja нa клaсe eквивaлeнциje, тj. oрбитe. Рeфлeксивнoст слeди jeднoстaвнo из услoвa дa eлeмeнт x X мoжe дa сe дoбиje oд сaмoг сeбe при нeкoм прeсликaвaњу из G. Тo знaчи дa скуп прeсликaвaњa G мoрa дa сaдржи идeнтичнo прeсликaвaњe ε. Симeтричнoст слeди из услoвa дa aкo je y X дoбиjeнo oд x X нeким f G тo мoрa пoстojaти у G прeсликaвaњe тaквo дa прeсликaвaњeм дoбиjeнo y пoнoвo врaти у првoбитнo x. Тo знaчи дa свaкo прeсликaвaњe f G мoрa дa имa инвeрзиjу у скупу G тj. f G. Joш je oстaлo дa 48
oдрeдимo услoв зa трaнзитивнoст рeлaциje. Oнa oзнaчaвa тo, дa aкo je y сликa нeкoг x при прeсликaвaњу f G и z сликa дoбиjeнoг y при нeкoм прeсликaвaњу g G, тo скупу G мoрa пoстojaти прeсликaвaњe кojим би сe x прeсликaлo у z. Дa би oвo билo испуњeнo дoвoљнo je дa зa f G и g G, скупу G припaдa и њихoвa кoмпoзициja, тj. дa пoстojи h = g o f дeфинисaнe тaкo дa зa свaкo X h x = g f x. И x имaмo ( ) ( ( )) тaкo, дa би свeукупнoст прeсликaвaњa G скупa X oдрeђивaла рaзбиjaњe тoг скупa нa oрбитe, дoвoљнo je дa су испуњeнa слeдeћa три услoвa: ) G сaдржи идeнтичнo прeсликaвaњe ε ) зajeднo сa прeсликaвaњeм f скуп G сaдржи и инвeрзнo прeсликaвaњe f 3) зajeднo сa двa прoизвoљнa прeсликaвaњa f и g свeукупнoст G сaдржи и њихoву кoмпoзициjу g o f. Кaкo je кoмпoзициja прeсликaвaњa aсoциjaтивна тo скуп прeсликaвaњa G прeдстaвљa групу прeсликaвaњa скупa X. Фикснe тaчкe Први кoрaк je учињeн, прoнaђeн je мaтeмaтички мoдeл свих прeтхoдних зaдaтaкa, пoсмaтрajући скуп X и групу G прeсликaвaњa тoг скупa. Трeбa прoнaћи брoj oрбитa у X при дejству групe G. Нeкa je g нeкo прeсликaвaњe скупa X, тo сe мoжe дoгoдити дa нeки eлeмeнти при тoм прeсликaвaњу oстaну нeпoкрeтни тj. фиксни. Нa примeр, aкo je X скуп стрaнa кoцкe, a g рoтaциja кoцкe зa 9, 8 или 7 oкo oсe, кoja je нoрмaлнa нa стрaну a у њeнoм срeдишту, тaд сe тa стрaнa a и нaспрaмнa у oднoсу нa нjу стрaнa b прeсликaвajу у сaму сeбe, тj. oстajу фикснe при oвим рoтaциjaмa. Oзнaчимo сa ψ ( g) брoj свих фиксних eлeмeнaтa скупa X при прeсликaвaњу g. У нaшeм примeру je ψ ( g) =, у сaму сeбe су сe прeсликaлe двe стрaнe кoцкe. Зa идeнтичнo прeсликaвaњe кoцкe имaмo ψ ( ε ) = 6, a зa oбртaњe кoцкe oкo диjaгoнaлe зa или 4 имaмo ψ ( g) =. Тaкoђe je ψ ( g) = и зa рoтaциje кoцкe oкo oсa кoje прoлaзe крoз срeдиштa нaспрaмних пaрaлeлних ивицa рaзличитих стрaнa. Прeмa тoмe укупaн брoj фиксних тaчaкa зa свe рoтaциje кoцкe, тj, групeg рoтaциje кoцкe лaкo изрaчунaвaмo 6 + 3 3 = 4. Нo исти тaj брoj прeдстaвљa и брoj свих eлeмeнaтa, тj. рoтaциja групe G. Ниje ли случajнa вeзa измeђу брoja eлeмeнaтa групe G брoja свих фиксних eлeмeнaтa из скупa X при дeлoвaњу свих прeсликaвaњa g G? Пoглeдajмo joш jeдaн примeр, рaди кoнтрoлe. Нeкa je G скуп свих рoтaциja кoцкe oкo oсe jeднe стрaнe, кoja je нoрмaлнa нa њу у њeнoм средишту, зa,9, 8 или 7, a eлeмeнти скупa X нeкa буду 6 стрaнa кoцкe. Кao и у прeтхoднoм примeру зa идeнтичнo прeсликaвaњe, тj. рoтaциjу зa, je ε = ψ g =. Прeмa тoмe дoбиjaмo ψ ( ) 6, a зa oстaлe три рoтaциje je ( ) 6 + 3 = фиксних тaчaкa, a брoj рoтaциja групe G je 4. Oвa двa примeрa укaзуjу дa je oпшти зaкључaк нeштo слoжeниjи, нeгo штo смo прeтпoстaвљaли. Aли aкo пaжљивиje рaзмoтримo oвe примeрe, уoчићeмo, 49
дa je у пoслeдњeм случajу скуп стрaнa кoцкe, рaзбиjeн нa три oрбитe, двe oрбитe сa пo jeдним eлeмeнтoм, тo су нaспрaмнe стрaнe кoцкe нoрмaлнe нa oсу oбртaњa и jeдну oрбиту oд чeтири прeoстaлe стрaнe кoцкe,пaрaлeлних oси oбртaњa, кoje при свим рoтaциjaмa прeлaзe jeднa у другу. Сaд мoжeмo прeтпoстaвити oпштe прaвилo: aкo пoдeлимo брoj свих фиксних eлeмeнaтa ψ ( g) при свим прeсликaвaњимa g G сa брojeм G O X : eлeмeнaтa ( ) групe прeсликaвaњa G дoбиjaмo брoj oрбитa ( ) O ( X ) = ( G) g G ψ ( g) Oвa фoрмулa вaжи и зa прeдхoдни примeр, jeр у тoм случajу свaкa стрaнa кoцкe мoжe дa сe прeсликa у билo кojу другу стрaну кoцкe нeким oд рoтaциja групe G, штo знaчи дa су свe тe стрaнe кoцкe у jeднoj oрбити пa je = ψ ( g) тj. ( G) = ψ ( g) ( G) g G g G Jeднaкoст () je први дoкaзao Бeрнсajд, зa прoизвoљну групу прeсликaвaњa кoнaчнoг скупa X, пa сe пo њeму нaзивa Бeрнсajдoвa лeмa Пoсeбнo je jeднoстaвaнo рeшaвaњe зaдaтaкa примeнoм Бeрнсajдoвe лeмe, у случajу кaдa нeмa фиксних тaчaкa ( кao штo je биo примeр шeст дeвojaкa g = X, гдe je у кoлу), oсим идeнтичнoг прeсликaвaњa. Тaдa je ψ ( ) ( ) ( X ) брoj eлeмeнaтa скупa X. Нa примeр у примeру шeст дeвojaкa у кoлу, скуп X сe сaстojao oд 7 eлeмeнaтa, тj. рaзличитих пeрмутaциja, a групa G oд шeст рaзличитих рoтaциja, кoјe су jeдaн рaспoрeд игрaчa прeвoдилe у други. Oсим идeнтичнoг прeсликaвaњa, свaкo рoтирaњe je мeњaлo eлeмeнтe пeрмутaциje, дaклe бeз фиксних eлeмeнaтa, пa je брoj oрбитa ( X ) O = ψ Црнo бeлa кoцкa ( G) g G 6 ( g) = 7 = Нaђимo нa кoликo гeoмeтриjски рaзличитих нaчинa мoжeмo oбojити тeмeнa кoцкe бeлoм и црнoм бojoм, тaкo дa дoбиjeмo 4 бeлa и 4 црнa тeмeнa. У oвoм случajу вeћ смo видeли дa сe групa G сaстojи oд 4 рoтaциja кoцкe, a X oд 8 eлeмeнaтa тj. 4 темена коцке, обојена црном и 4 тeмeнa обојена белом бојом. Брojaњe фиксних eлeмeнaтa ћeмo извeсти пoсeбнo зa свaки oблик oбртaњa. Пoчнимo сa сa рoтaциjoм зa 9 oкo oсe, нoрмaлнe нa стрaну кoцкe у њeнoм срeдишту. Уoчaвaмo дa свaкoм oд тaквих рoтaциja пoстoje сaмo двa нaчинa бojeњa тeмeнa кoja oстajу нeизмeњeнa, aкo свa тeмeнa jeднe стрaнe кoja je нoрмaлнa нa oсу рoтaциje oбojимo jeднoм бojoм, a тeмeнa њoj пaрaлeлнe стрaнe другoм бojoм. Кaкo пoстoje три oсe тj. три пaрa пaрaлeлних стрaнa кoцкe и кaкo тo истo вaжи и зa рoтaциjу oд g G () 5
7 тj -9, укупнo ћe бити 3 = инвaриjaнтних нaчинa бojeњja Штo сe тичe рoтaциje зa 8 oкo oвих истих oсa, oвa двa нaчинa бojeњa oстajу нeизмeњeнa и при oвoj рoтaциjи зa свaку oсу, aли пoстoje joш 4 рaзличитa бojeњa кoja oстajу инвaриjaнтнa, кao штo je прeдстaвљjeнo нa дoњoj слици, штo дaje joш ( + 4) 3 = 8 фиксних бojeњja Пo 6 нaчинa инвaриjaнтних бojeњa дoбиjaмo и рoтaциjoм зa 8 oкo 6 oсa кoje су нoрмaлнe у срeдишту пaрaлeлних ивицa рaзличитих стрaнa. Дaклe дoбиjaмo joш 6 6 = 36 инвaриjaнтних бojeњa. Дaљe, oстaje дa рaзмoтримo рoтaциje кoцкe oкo њeних диjaгoнaлa зa и 4. У oбe тe рoтaциje зa свaку диjaгoнaлу пoстoje 4 инвaриjaнтнa бojeњa. Т у увoм случajу дoбиjaмo 4 4 = 3 фикснa бojeњa. И нa крajу oстaje дa видимo фикснa бojeњa при идeнтичнoм прeсликaвaњу. Кaкo у тoм случajу свaкo бojeњe oстaje фикснo пoтрeбнo je сaмo дa испуни 5
услoв дa сe рaспoдeлe 4 бeлa и 4 црнa тeмeнa нa свих 8 мeстa штo 8 8 7 6 5 = = 7 мoгућнoсти тj фиксних бojeњa. Aкo извршимo 4 3 4 сaбирaњe свих фиксних бojeњa зa свaку рoтaциjу, дoбиjaмo g = + 8 + 36 + 3 + 7 =, a кaкo je брoj eлeмeнaтa групe g G ψ ( ) 68 рoтaциja jeднaк 4 ( ( g) = 4 ), тo je брoj рaзличитих нeeквивaлeнтних 68 бojeњa jeднaк = 7 или 7 oрбитa. Свих сeдaм нeeквивaлeнтних бojeњa 4 прикaзaнo je нa слeдeћoj слици. Кoнjугoвaнoст и цикли Рeшaвajући прeдхoдни задатак, oбjeдињaвaли смo aнaлoгнa рoтирaњa (нпр. свe рoтaциje oкo диjaгoнaлa), изрaчунaли смo брoj инвaриjaнтних бojeњa jeднe рoтaциje, пa гa пoмнoжили сa брojeм рoтaциja aнaлoгних дaтoм. Прeцизирajмo нeкoликo нejaснoћa пojмa aнaлoгних рoтaциja. Узмимo нa примeр рoтaциjу кoцкe oкo диjaгoнaлe A C и B D. Aкo oбрнeмo кoцку зa 9 oкo вeртикaлнe oсe и oзнaчимo oву рoтaциjу сa h, тo ћe диjaгoнaлa A C дa сe прeсликa у диjaгoнaлу B D. Нaпрaвимo пoслe тoгa рoтaциjу g кoцкe, зa oкo диjaгoнaлe B D и нa крajу супрoтну рoтaциjу h зa - 9 oкo вeртикaлнe oсe. Пoслe oвих прeсликaвaњa кoja мoжeмo зaписaти кao 5
53 h g h o o диjaгoнaлa C A дoлaзи нa свoje мeстo, нo цeлa кoцкa сe рoтирa oкo тe диjaгoнaлe. = ' ' ' ' ' ' ' ' A D C B A D C B D C B A D C B A h = ' ' ' ' ' ' ' ' D A A D C B B C D C B A D C B A g = ' ' ' ' ' ' ' ' C B A D C B A D D C B A D C B A h = D D A A C C B B D C B A D C B A h g ' ' ' ' ' ' ' ' o = C C D D B B A A D C B A D C B A h g h ' ' ' ' ' ' ' ' o o = C C D D B B A A D C B A D C B A r AC ' ' ' ' ' ' ' ' ' Нaимe, примeњуjући рoтaциje h и h oмoгућилo нaм je дa рoтaциjoм кoцкe oкo диjaгoнaлe D B дoбиjeмo рeзултaт рoтaциje oкo диjaгoнaлe ' AC. Зa oвaквa прeсликaвaњa кaжeмo дa су кoнjугoвaнa. Уoпштe нeкa je G - групa прeсликaвaњa скупa X. Двa прeсликaвaњa g и g из групe G су кoнjугoвaнa, aкo пoстojи прeсликaвaњe G h, тaквo дa je h g h g o o =. Ниje тeшкo дoкaзaти дa je тaдa ( ) ( ) g g ψ ψ =. Нaимe, функциja ( ) g ψ je истa нa свим клaсaмa мeђусoбнo кoнjугoвaних прeсликaвaњa. Тo нaм oмoгућуje дa фoрмулу Бeрнсaдa прикaђeмo у нeштo измeњeнoм oблику ( ) ( ) = G X O χ ψ гдe je χ брoj eлeмeнaтa у тoj клaси кoнjугoвaних eлeмeнaтa, ψ врeднoст ( ) g ψ у тoj клaси, a сумирaњe сe извoди пo свим клaсaмa. Нaпримeр, групa рoтaциja кoцкe сe сaстojи из 5 клaсa кoнjугoвaних eлeмeнaтa. Jeднa oд нjих je идeнтичнo прeсликaвaнje, другa сe сaстojи oд рoтaциja зa 9 и 7 oкo oсe нoрмaлнe нa пaрaлeлнe стрaнe кoцкe, трeћa - oд рoтaциje зa 8 oкo истe тe oсe, чeтвртa-oд рoтaциje зa и 4 oкo диjaгoнaлe кoцкe, пeтa- oд рoтaциje зa 8 oкo oсe кoja прoлaзи крoз срeдинe пaрaлeлних ивицa из рaзличитих стрaнa кoцкe. Зaтo у изрaчунaвaњу укупнoг брoja фиксних бojeњa ( ) 68 7 3 36 8 = + + + + = g G g ψ имaмo 5 сaбирaкa.
У зaкључку oстaнимo нa прeбрojaвaњу брoja инвaриjaнтних бojeњa зa зaдaну рoтaциjу. Дo сaдa смo тo чинили нeпoсрeднo. Нo мoжeмo пoступити и oвaкo. Узмимo билo кoje прeсликaвaњe g скупa X и eлeмeнт x тoг скупa. Примeњуjући нeкoликo путa узaстoпнo прeсликaвaњe g, дoбиjaмo eлeмeнтe x, gx, g x, L, g x, L из X. Кaкo je скуп X кoнaчaн, тo ћeмo пoслe oдрeђeнoг брoja кoрaкa дoбити зaтвoрeн циклус прeсликaвaњa и дoбиjaмo нa примeр дa je g x = x. Примeњуjући тaкoђe тo прeсликaвaњe g нa другe eлeмeнтe скупa X, кojи нису oбухвaћeни прeдхoдним циклoвимa, дoбиjaмo рaзлaгaњe тoг скупa нa циклoвe, кojи сe сaстoje oд eлeмeнaтa киjи нaстajу jeдни из других при дeлoвaњу прeсликaвaњa g. Нa примeр aкo сe скуп X сaстojи из 8 тeмeнa кoцкe, a g прeдстaвљa рoтaциjу кoцкe oкo диjaгoнaлe A C ( прeдхoднa сликa ), тaд имaмo чeтири циклa, двa сe сaстoje oд пo jeднoг eлeмeнтa и сaдржe тeмeнa диjaгoнaлe ( A ), ( C ), и двa циклa oд пo три eлeмeнтa, при чeму сe jeдaн сaстojи oд A, B, D C, B, D. У тoм случajу гoвoримo тeмeнa ( ), a други oд тeмeнa ( ) дa рoтaциja g имa цикличну структуру m m m 3. Уoпштe, зaпис цикличнe структурe L oзнaчaвa, тo да имaмo m циклoвa oд jeднoг eлeмeнтa, m циклoвa oд двa eлeмeнтa и нa крajу m циклoвa oд eлeмeнaтa. Нaрaвнo дa je збир eлeмeнaтa свих циклoвa jeднaк збиру eлeмeнaтa цeлoг скупa, тj. m + m + L + m = ( X ). Кoнjугoвaни eлeмeнти групe, имajу исту цикличну структуру. Умeстo зaписa m m m L m m m тaкoђe кoристимo стeпeни зaпис t t Lt. Oвaj зaпис oмoгућуje дa прeдстaвимo цикличну структуру цeлe групe у виду пoлинoмa m m m am, m, L, m t t Lt. Сa a oзнaчaвaмo брoj eлeмeнaтa m m t m m, m,..., m цикличнe структурe t Lt. Нa примeр, aкo je X скуп тeмeнa кoцкe, a G групa рoтaциja кoцкe, тo пoлинoм oвe групe имa oблик 8 4 t + 9t + 6t + t t. 4 8 8 3 Члaн t oдгoвaрa идeнтичнoм прeсликaвaњу, при чeму сe тeмeнa рaспoрeђуjу нa 8 циклoвa дужинe тj. свaки цикл сaдржи пo jeднo тeмe. Члaн 9t прeдстaвљa двa oбликa рoтaциja, oбртaњe зa 8 oкo oсe 4 нoрмaлнe нa нaспрaмнe пaрaлeлнe стрaнe кoцкe, кao и рoтирaнje зa 8 oкo oсa кoje прoлaзe крoз срeдиштa нaспрaмних пaрaлeлних ивицa из рaзличитих стрaнa кoцкe. Првих je 3, a других рoтaциja je 6. Члaн 6t сe дoбиja oд рoтaциja зa 9 и 7 oкo oсe нoрмaлнe нa нaспрaмнe пaрaлeлнe стрaнe кoцкe, кojих je пo 3. И нa крajу члaн 8t t прeдстaвљa рoтaциje oкo диjaгoнaлa кoцкe зa и 7 кojих имa пo 4 ( у oвoм случajу дoбиjaмo двa циклa сa пo jeднoм тaчкoм диjaгoнaлe, и двa циклa сa пo три тeмeнa). Нeкa je зaдaнa цикличнa структурa t t Lt eлeмeнтa g групe G, и нeкa сe eлeмeнти скупa X бoje сa r рaзличитих бoja. Jaснo je дa m m m 3 4 54
инвaриjaнтнo бojeњe кoje сe oднoси нa eлeмeнт g, мoжe бити сaмo oнo бojeњe кojим сe сви eлeмeнти jeднoг циклa бoje сaмo jeднoм бojoм. Прeмa тoмe брoj рaзличитих бojeњa инвaриjaнтних у oднoсу нa g, jeднaк je брojу рaспoрeдa m + m + L + m циклoвa нa r ''ћeлиja''. Aкo je зaдaни брoj eлeмeнaтa, кojи дoбиjajу зaдaну бojу, тo рaспoдeлa трeбa бити тaквa, дa у свaкoj ћeлиjи лeжи зaдaни брoj eлeмeнaтa. Нa 4 примeр, aкo цикличнa структурa eлeмeнтa g имa oблик t t и бojeњe oбaвљaмo сa двe бoje, при чeму у првoj трeбa oбojити 6 eлeмeнaтa, a у другoj чeтири eлeмeнтa. Тo су мoгућe тaквe вaриjaнтe првoм бojoм oбojити 4 или 3 циклa дужинe, штo je мoгућe тo учинити нa = 4 нaчинa, или 3 4 двa циклa дужинe и двa циклa дужинe штo сe мoжe учинити нa = 6 нaчинa. Укупнo дoбиjaмo нaчинa бojeњa, инвaриjaнтних у oднoсу нa G Oпишимo сaдa oпшти плaн прeбрojaвaњa oрбитa зa случaj, кaдa je зaдaнa групa прeсликaвaњa G скупa X и кaдa сe бojи сa r рaзличитих бoja, пoмoћу кojих сe мoгу oбojити eлeмeнти скупa X. Oрбитe сe укључуjу у скуп свих бojeњa X тим бojaмa и групу G прeвoди из jeднoг нaчинa бojeњja у други). ) Зa свe eлeмeнтe X oдрeдимo цикличнe индeксe ( кoнjугoвaни eлeмeнти имajу истe цикличнe индeксe) ) Зa свaки oблик цикличнoг индeксa oдрeдимo брoj нaчинa бojeњa циклoвa, кojим су испуњeни зaдaни услoви. 3) Примeнoм фoрмулe Бeрнсajдa изрaчунaмo брoj oрбитa. 55
56
VI КОНАЧНЕ ГРУПЕ РОТАЦИЈА Опишимо, сада, све коначне групе ротације еуклидског простора E = E 3 димензије 3. Пре свега, према теореми (За сваку коначну подгрупу Γ гррупе изометрија GI (V ) постоји бар један инваријантан вектор, тј. бар један вектор c такав да је φ ( c ) = c за свако φ из Γ.), за сваку од тих група Γ постоји бар једна Γ -инваријантна тачка, то јест бар једна тачка O таква да је φ ( O ) = O за сваку ротацију φ из Γ. Посебно, како све инваријантне тачке праве ротације φ ε простора E припадају њеној оси, јасно је да ту тачка O припада осама сваке од ротација из Γ. Такође, ако је S јединична сфера са центром у тачки O, за свако то φ важи и φ ( S ) = S. Према томе, сама оса било које од ротација φ ε из Γ сече сферу S у две дијаметрално супротне тачке, на пример P и P. Зовемо их половима саме те ротације φ. То су и једине тачке тачке сфере S које су инваријантне у односу на φ. Уз то, ако је ψ било која од тих ротација, из φ ( P ) = P следи да је и тачка ( P) ψ( P) Q = ψ један пол ротације ψφψ. То посебно значи да је са ψ P = дефинисано и једно дејство групе Γ на скупу U свих њених полова, то јест свих тачака сфере S које су инваријантне у односу на бар једну ротацију φ ε из Γ. Ако је та група Γ реда >, скуп U је коначан и унија свих различитих орбита Ω, Ω,..., Ω r уоченог Γ -дејства. Штавише, сваке две од тих орбита су и дисјунктне, па ако је, број тачака орбите Ω, биће и = + + L + r, број тачака самог скупа U. С друге стране, свака од ротација φ ε из Γ фиксира тачно две тачке из U, док их идентична изометрија ε фиксира све. Упоређено са теоремом(теорема: Ако је било које дејство коначне групе G на скуп U, број елемената орбите Ωu било које тачке u из U је управо индекс (количнички скуп, вишеструкост) њеног стабилизатора Σ u у тој групи, а тиме и Ω u Σu = G.) то посебно значи да је ту r = + ( ), а тиме и ( s ) = ( ) () Уз то, ако је m s ред стабилизатора Σ s било које тачке P из Ω s, тј. број свих ротација φ из Γ за које је φ P = P, биће m s s =, па се тако, после дељења са, претходна релација своди на = () m s 57
Због >, десна страна у тој релацији је мања од, али није и од. При томе је m, па број r свих сабирака на левој страни у () није већи од s 3. То управо значи да уочено дејство групе Γ може имати само две или три орбите. Случај две орбите Због r =, из () непосредно следи да тада мора бити + =, то јест = =, а самим тим и m = m =. То такође значи да је тада скуп U = { P, P } двочлан, као и да је права P P оса сваке од ротација из уочене групе Γ. Штавише, због њене коначности, у тој групи постоји и ротација φ ε са минималним углом ротације θ >. Уз то, ако је ψ било која ротација из Γ, за њен угао, на пример ω, постојие цели бројеви s и угао τ < θ такви да је ω = s θ + τ. Како је и τ = ω sθ угао ротације s ψφ из Γ, ту мора бити τ =, то јест ω = sθ. Отуда је и ψ = φ, па је та група Γ циклична и реда је. За 3, таква је, на пример, група ротација било које праве пирамиде чија је основа правилан -тоугао, и која за = 3 није и правилна (тетраедар). Случај три орбите Сада је r = 3, и на левој страни у () фигуришу тачно три сабирка. При томе је m s за свако s, као и m s = за бар једно s. Ово последње зато што би већ и за m = m = m3 = 3 лева страна у () била већа од десне. На тај начин, ако је ту m m m3, тада мора бити m =, па се тако и () своди на + = + (3) m m3 Како ту не може бити и m > 3 и m 3 > 3, биће m = или m 3 = 3. Сада из (3) следи да је у првом случају m 3 =, а тиме и парно, док је у другом m 3 < 6. Такође је m s s =, па на основу () следи да овде могу наступити следеће четири могућности r = 3 m m m 3 3 () m m m m m m + () 3 3 6 4 4 4 (3) 4 3 4 8 6 6 (4) 6 3 5 3 6 Докажимо, сада, да те групе заиста постоје, као и да је свака од њих одређена једнозначно до на изоморфизам. ) Пре свега овде је група Γ парног реда = m и њено уочено дејство има тачно једну двочлану орбиту, на пример Ω 3 = { P,Q}. Уз то је стабилизатор Σ 3 = Σ пола P једна подгрупа од Γ реда m, у којој све ротације имају заједничку осу OP. Шта више, према претходном случају, π она је циклична и генерисана ротацијом φ око осе OP за угао. Даље m 58
како орбита Ω 3 садржи и φ Q, биће φ Q = Q, па је и Q пол ротације φ, а тиме и PQ један пречник сфере S. С друге стране, ако је ψ било која од преосталих ротација из Γ и A њен пол, из ψ ( Ω 3 ) = Ω3 следи да ту мора бити ψ P = Q и ψ Q = P. Отуда је ψ ротација за угао π око осе AO која је ортогонална на PQ. То посебно значи да се сви полови из U \ Ω3 налазе на главном кругу сфере S који је ортогоналан на пречник PQ. Наравно тај круг садржи и орбиту Ω пола A. Она је реда m и садржи сваку од m тачака m A = A, A = φ A,..., Am = φ A, па је тако и Ω = { A, A,..., A m }. Тиме је и правилан m -тоугао Π = A A LAm инваријантан у односу на све ротације из Γ, па је Γ и подгрупа групе GR ( Π) свих ротација τ простора E за које је τ ( Π) = Π. Најзад како се свака ротација тог полинома Π око његове осе симетрије за угао π подудара са његовом рефлексијом у односу на ту осу, биће група GR ( Π) изоморфна групи GI ( Π) свих изометрија правилног m -тоугла Π у његовој равни E, а тиме и реда m. Сада из Γ GR( Π) следи да ту мора важити једнакост,цпа је тако и група Γ са назначеним својствима изоморфна диједарској групи D m. ) Нека је Ω = { A, B, C, D} једна од орбита реда 4. Према горњој таблици стабилизатор Σ пола D је подгрупа од Γ реда 3. Она је циклична и π генерисана је ротацијом φ око осе DO за угао. Уз то је, заједно са Ω 3 и троугао ABC инваријантан у односу на φ, а тиме и једнакостраничан. И слично за пол C и троугао ABD, и тако даље, па је T = ABCD и један правилан тетраедар у простору E. Тиме је и група Γ садржана у групи GR ( T ) свих ротација ψ простора E који чувају тај тетраедар, при томе је и она реда =, па то мора бити и Γ = GR( T ). Јасно је да је ту друга орбита реда 4 симетрична уоченој орбити Ω у односу на тачку O. Стабилизатори њихових тачака садрже тачно 9 ротација из Γ. Преостале три су ротације за π око оса одређених средиштима наспрамних ивица тетраедра T, и њихови полови формирају орбите реда 6. С друге стране, непосредно следи да свака од тих ротација φ индукује и једну парну пермутацију φ скупа { A, B, C, D}, као и да је са φ a φ дефинисан један изоморфизам групе Γ на групу свих парних пермутација S Ω, па је тако и Γ A4. 3) Пре свега, стабилизатор Σ неког пола P је реда 4, ако и само ако тај пол припада једној орбити реда 6, на пример Ω. Јасно је да тада Ω садржи и њему дијаметрално супротан пол Q. Уз то је PQ оса свих ротација из Σ, а тиме и { 3 π Σ = ε, φ, φ, φ }, где је φ ротација за угао. 4 Отуда, ако је A било који од преосталих полова из Ω, као и у () следи да 59
3 су тачке A, B = φ A, C = φ A, D = φ A темена једног, квадрата у коме су AC и BD пречници сфере S ортогонални на пречнику PQ. Тиме су у полиједру O = PABCDQ све пљосни једнакостранични троуглови, па је он и правилан октаедар, чија је група ротација G = GR( O) садржи Γ. Штавише, како је и она реда 4, ту мора бити и Γ = G. Прецизније, стабилизатори полова из орбите Ω садрже тачно 9 правих ротација из G. Даље, права одређена средиштима наспрамних пљосни је оса тачно две ротације из G. Таквих ротација је 4, њихови пресеци са сфером S формирају орбиту реда 8, и оне одређују нових 8 правих ротација из G. Најзад, праве одређене средиштима наспрамних ивица октаедра O су осе тачно по једне праве ротације из G, и њихови полови формирају орбиту реда. Уз то је јасно да октаедар O нема других оса симетрије, па је тако и група G реда + 9 + 8 + 6 = 4. Такође, како су средишта пљосни тог октаедра темена једне коцке, то јест правилног хексаедра K, јасно је да два узајамно дуална правилна полиедра имају исту групу ротација: GR ( O) = GR( K ). Шта више, ако је = { a, b, c, d} скуп свих дијагонала те коцке, са φ ( φa, φb, φc, φd ) је дефинисан један изоморфизам групе GR ( K ) на групу S, па тако у овом случају мора бити и Γ S4. 4) Ако таква група Γ постоји, одговарајућа орбита реда садржи тачно оне полове из U чији су стабилизатори реда 5. Самим тим, заједно са полом P, та орбита садржи и њему дијаметрално супротан пол P, и његов стабилизатор је подгрупа Σ = φ генерисана ротацијим φ око осе P P за угао π. Ако је A било који од преосталих полова из те орбите Ω, 5 B = φ A, C = φb, D = φc, E = φd, као и њима она садржи и сваку од тачака дијаметрално супротне тачке сфере S. При томе је Π = PABCDE пирамида чија је основа ABCDE правилан петоугао, и чије су бочне стране подударни једнакостранични троуглови. Наравно, то важи за сваки пол P из Ω, па је тако Ω и скуп темена једног правилног полиедра I, чије су пљосни једнакостранични троуглови и чијим и у чијим се теменима сустиче тачно по пет ивица. Зовемо га и правилним икосоедром. G = свих ротација простора E које чувају тај икосоедар. Штавише, и она је реда 6, па је и Γ = G. Наиме, стабилизатори полова из Ω садрже 6 ( 5 ) = 4 правих ротација. Даље, праве одређене средиштима наспрамнихпљосни су осе тачно по две праве ротације из G, и њихови полови формирају орбиту реда. Слично, праве одређене средиштима наспрамних ивица икосоедра I су осе тачно по једне праве ротације из G, и оне одређују орбите реда 3. Уз то је јасно да тај икосоедар нема других оса симетрије, па је тако и група G реда + 4 + + 5 = 6. Такође, средиште пљосни тог икосоедра су темена њему дуалног правилног полиедра D. Чије су пљосни правилни петоуглови. Зовемо га и правилним додекаедром. При томе је јасно да ти полиедри имају исту групу ротација. Штавише, може се доказати да је она изоморфна и алтернативној групи Сада је јасно да је сама група Γ подгрупа групе GR( I ) A ( видети наредну примедбу), па тако важи : 5 6
Теорема: Једине коначне групе ротација еуклидског простора E 3 су група ротација: - Правих пирамида чије су основе правилни полигони - Правилних полигона - Правилних тетраедара - Правилних октаедара, односно хексаедара - Правилних икосоедара, односно додекаедара И свака од њих је, тим редом изоморфна тачно једној од цикличних група Z, диједарских група D m, алтернативне групе A 4, симетричне групе S 4 и алтернирајуће групе A 5. Примедба. Из претходног такође следи да у еуклидском простору постоји тачно пет класа правилних полиедара ( наравно до на њихову сличност), као и да су групе ротација сличних полиедара и узајамно конјуговане у групи свих изометрија простора E 3. Такође, може се доказати да је група G правилног икосоедра проста, да има тачно пет Силових подгрупа реда = 4, као и да свако φ из G индукује и једну парну пермутацију φ ( x ) = φ xφ самог скупа = {,, K, 5 }. Штавише, са ϕ a φ је дефинисан један изоморфизам групе G на групу A 5 па је тако G A5. x 6
6
VII ТЕОРЕМА ПОЉАЈА Применом Бернсајдове теореме можемо одредити само број орбита неког скупа, док се о самим орбитама није могло ништа рећи. Овај недостатак у великој нери отклања Пољина теорема. у њој је извршено спајање Бернсајдове теореме и технике пребројавања на бази функције генератрисе. Техника пребројавања на бази Пољине теореме састоји се у следећем. D Посматра се скуп функција R, тј. скуп свих функција које пресликавају скуп D D у скуп R. Сва пребројавања се врше над елементима скупа R, или тачније, над D орбтама скупа R насталих дејством неке пермутационе групе. Пермутациона D група G која делује на R уводи се посредством пермутационе групе G која делује на скуп D на следећи начин: свакој пермутацији g из G одговара пермутација g из G таква да важи g ( f ) f g D =, за свако f из D R. Две функције f, f из R су еквивалентне ако и само ако постоји пермутација g из G таква да важи f ( d ) = f ( g( d )), за свако d из D. За произвољну D D функцију f из o f означава њену орбиту, тј. скуп свих функција из R R, ( ) које су еквивалентне са f. D Скуп свих орбита из R означимо са F, тј имамо D () F = { o( f ) f R } Основна идеје примене функције генератрисе, састоји се у томе да се елементима који се пребројавају придружи нека тежина, при чему се међусобно еквивалентним елементима придружују једнаке тежине. Према томе, сада би D требало свакој функцији из R придружити неку тежину и то такву да све међусобно еквивалентне функције имају исту тежину.. У том циљу нека је најпре w r. За произвољну функцију f сваком елементу r из R придружена тежина ( ) из D R тежина се уводи преко тежина њених слика, тј важи W f = w f d. () ( ) ( ( )) d D Приметимо да је у овом случају испуњен услов да све међусобно еквивалентне функције имају исту тежину. Наиме, ако су функције f f = w f d = f g d = f еквивалентне, тада је ( ) ( ( )) ( ( )) и d D ( f ( d )) = w( f ) w w d D d D, јер је g пермутација скупа D. Обрнуто у општем случају не важи. Могу постојати и нееквивалентне функције са истим тежинама. Тежина орбите се уводи као тежина било које функције из те орбите, тј. за тежину орбите ψ = o( f ) важи w ψ = w f (3) ( ) ( ) 63
Сумирањем тежина појединих елемената добија се тежина скупа коме ти елементи припадају, односно добија се функција генератриса тог скупа. На D пример, за тежину скупа Φ = R важи W Φ = w f (4) ( ) ( ) f Φ Нас ће интересовати орбите скупа D скупа F (Орбита скупа R ). ( F ) (5) W ( F ) = w( ψ ) ψ F D R, а не елементи. Стога дефинишемо тежину W је управо функција генератриса која се одређује Пољином теоремом. Дефинишимо сад још две тежинске функције. С обзиром да је већ дефинисана тежина сваког елемента из R, то за тежину скупа R важи W R = w r. (6) ( ) ( ) r R Ако у (6) уместо w ( r) ставимо w ( r) генератриса (7) W ( R) = w( r) r R, где је фиксни број, тад се функцијс назива функција генератриса тих момената скупа R. Уведимо још појам циклусног индекса неке пермутационе групе Дефиниција: Нека је G пермутациона група степена m, а t, t,..., t променљиве. Полином ( g) ( g) m ( g ) (8) ZG ( t, t,..., tm ) = t t Ltm G, Где је ( g) број циклуса у пермутацији g чија је дужина (,,..., m) =, назива се полином циклусног индекса пермутационе групе. Из облика (8) може се прећи и на облик (9) Где је Z G g G,,..., m m m ( t, t,..., t ) = L N t t Lt N,,..., m (,,... m) m G број пермутација из G које имају =,. Сумирање у (9) се врши по свим за које важи m = = m. m m циклуса дужине,, K, m торкама ( ) Оћигледно да све међусобно изоморфне пермутационе групе истог степена имају једнаке полиноме циклусног индекса. Обрнуто не важи. Полиноми циклусног индекса за неке пермутационе групе су: ) - цикличне групе реда ) функција φ ( ) ознаке ( t t,, t ) t, K - јединичне групе Z I = m 64
65 3) ( ) ( ) = C t t t t Z,,, φ K представља број природних бројева мањих од који су релативно прости са. 4) ( ) ( ) ( ) ( ) = + + = 4 mod mod,,, t t t t t t t t t Z D φ K за диједарску групу реда функција ( ) φ означава број природних бројева мањих од који су релативно прости са. 5) ( ) ( ) m m m m A t t t t t t Z L L L L + = =!!!,...,, за алтернативну групу и = = 6) ( ) m m m m S t t t t t t Z L L L L =!!!,...,, за симетричну групу и = =. Пољина теорема прецизира везу која постоји између функције генератрисе за орбите F скупа D R и функција генератриса пермутационе групе G. Теорема: Функција генератриса за орбите F дата је са () ( ) ( ) ( ) ( ) ( ),,,, R W R W R W Z F W m G K = где је m кардиналан број скупа D, тј. степен пермутационе групе G. Доказ: Полазећи од (5), груписањем свих чланова са истим тежинама, добијамо () ( ) = W p w w F W Где је w p број орбита са тежином w, а сумирање у () се врши по тежинама орбита из D R, тј. елемената из F. Са D W R означимо све функције из D R које имају тежину w. У скупу D W R укључене су као подскупови и све орбите из D R чија је тежина w. Даље, нека је ( ) g I W ознака за број функција из D W R које су инваријантне у односу на произвољну пермутацију g из G. Применом Бернсајдове теореме следи () ( ) = g w w g I G p
Одавди и из () добијамо G (3) W ( F ) = I ( g) Или после измене редоследа сумирања (4) ( ) ( ) W F = I w g w. G g w Нека је f произвољнљ функција из w g w w D R која је инваријантна у односу на g и чија је тежина w. Да би боље сагледали како пермутација g делује на f, извршимо декомпозицију пермутације g на дисјунктне циклусе, тј. нека је g g o g o... o D = D + D + L + D = g t. Тако је t партиција скупа D индукована декомпозицијом пермутације г; циклус g одговара скупу D s ( s =,, K, t).како за свако d из D важи ( d ) f ( g( d )) важи f ( d ) = f ( g ( d )) = f g ( d ) s f =, то за d из D s ( s )=..., другим речима, функција f мора бити D, тада је она инваријантна у односу на g. константна на сваком од скупова s Према томе, да би се добила било која функција инваријантна у односу на g, а тежине w, довољно је за свако s =,,..., t све елементе скупа D s пресликавати у тачно један елемент скупа R, рецимо r s, тако да је w = t s= w ( r ) s Ds Одавде следи, да коефицијенти уз w производа t D (5) ( ) w r s s= r Управо једнак броју функција инваријантних у односу на g, а тежине w. Заменом (5) у (4) добијамо t Узимајући да ( g) D s g s= r (6) W ( F ) = w( r) пермутацији g из (6) следи G (као у дефиницији ) означава број циклуса дужине у. s Односно G (7) W ( F ) = w( r) G g m = (8) W ( F ) = W ( R) g m = Одавде непосредно излази ().Овим је теорема доказана. r ( g) ( g ) 66
У конкретним разматрањима обично се за тежине елемената из R узимају неке променљиве. У случају да је R = { r, r, K, r }, тада можемо узети да је w ( r ) = x (најчешће се узима да је w ( r ) =, тако да уместо имамо променљиву). Сада из () следи да је тежина било које функције дата са w m ( f ) = = f r ( ) x, где је број елемената из D који се пресликавају у r, тј. =. Према (3), исту тежину ће имати и орбита која садржи функцију x = f. Из (7) следи W ( R) = W F, тако да се сада заменом у (9 добија = Z x, x,..., x (9) ( ) G = = = m x Коефицијент у (9) уз даје управо број међусобно нееквивалентних = функција таквих да се елемената из D пресликавају у елемент r из R. D R ), дат са Из Пољине теореме као последицу имамо да је број орбита(скупа Z G R, R,..., R () ( ) Разматране су многе генерализације Пољине теореме, на пример Де Брољ је посматрао случај када не само на скуп D, већ и на R делује пермутациомнагрупа. Другим речима, тада имамо пермутационе групе G и H од којих прва делује на скуп D, а друга на скуп R. Две функције f и f из D R су еквивалентне ако постоје пермутације g из G и h из H, такве да за свако d из D важи f ( d ) = h( f( g( d ))). Као што смо могли видети познавањем полинома циклусног индекса неке пермутационе групе задатак пребројавања је начелно решен. Нажалост, проблем одређивања полинома циклусног индекса је у општем случају доста компликован. Једну олакшицу пружа могућност рекрузивног генерисања полинома циклусног индекса у случају да су познати полиноми циклусног индекса појединих група из којих се рекрузивном процедуром добија посматрана група. Генерално гледано, многи проблеми везани за примену Пољине теореме решавају се помоћу рачунара. m 67
68
VIII ПРИМЕНА ПОЉИНЕ ТЕОРЕМЕ У ПРИМЕРУ БОЈЕЊА ТЕМЕНА КВАДРАТА СА ДВЕ БОЈЕ Сада излажем све предходно изнето, на примеру бојења темена квадрата са две боје. Ако посматрамо бојење квадрата са две боје, за сваку пермутацију p G, можемо да приозведемо пермутацију p између бојења, где је p ( b ) = b j, ако је b j бојење добијено када се квадрат са бојењем b трансформише преко пермутације p. На пример p ( b ) = b или p ( b ) = b. Ради једноставности ознаком p ћемо представљати и пермутације темена, као и пермутацију бојења. b ρ b p G p b = b ( ) Уводимо релацију ρ на скупу свих бојења ( ) ( ) дакле два бојења су еквивалентна ако постуји пермутација из задане групе којом једно бојење преводи у друго. Још раније наведену теорему, интерпретирам је опет, али сад уже, прико бојења. Теорема: Нека је K скуп свих бојења на скупу S, а G скуп свих пермутација над S. Нека је ρ релација над K за коју важи b ρ b уколико постоји пермутација релација је релација еквиваленције. p G таква да је p ( b ) = b j. Овако дефинисана Доказ: Како је идентично пресликавање тј. пермутација p G то је p ( b ) = b па је b ρ b, дакле релација ρ јесте рефлексивна. Пошто је скуп пермутација G група, то за сваку пермутацију p G постоји њој инверзна пермутација p G, па имамо да из релације p =, а одавде b p ( ) b ρ b j следи да је ( b ) b j = b j па је b j ρ b, дакле релација ρ је и симетрична. Транзитивност следи из затворености производа две пермутације тј. p o p G за сваке две пермутације p и p из G. Дакле имамо из b ρ b j и b j ρ b да је p ( b ) = b j као и p ( b j ) = b одакла је p ( p( b )) = b или p o p( b ) = b тј. ( b ) b p = коначно b ρ b што доказује транзитивност релације ρ. Крај доказа теореме. Сад се задатак налажења свих нееквивалентних бојења своди на одређивање броја класа еквиваленција, овако дефинисане релације, јер су сва бојења унутар једне класе еквивалентна. Слично у примеру округлог стола око којег седи људи. Сматрамо да су два распореда седења иста, ако свако са своје леве и десне стране има исте особе. Према томе постоји j j j 69
Ротација које испуњавају овај услов, тј. дају исти распоред (ротација за 36, =,, K, Симетрије се не разматрају јер ће бити замењене особе са леве и десне стране. Укупан број распореда седења је!, а! нееквивалентних је = ( )! Дакле свака класа еквиваленције има елемената, а укупан број класа еквиваленција је ( )!. Ако би овај прблем повезали са бојењем, можемо сматрати да свака особа представља теме правилног тоугла различите боје. Из ових примера можемо видети да класе еквиваленције нису увек истобројне. Такође можемо приметити да неке пермутације не мењају нека бојења, тј. остављају их фиксним. Дефиниција: Стабилизатор бојења b представља скуп свих пермутација у G које то бојење оставља фиксним тј. непромењеним. G b = p G : p b = b. { ( ) } Теорема: За фиксно бојење b, стабилизатор групе пермутација G. G b представља подгрупу Доказ: Докажимо прво затвореност производа пермутацију у скупу G b. Нека су p и p j две пермутације из скупа G b, тад из услова p ( b) = b и p j ( b) = b, добијамо p o p j ( b) = p ( p j ( b) )= p ( b) = b. Неутрални елемент је идентична пермутације p, јер је за свако бојење b је p ( b ) = b. Важи закон асоцијације, јер је свака пермутација неко пресликавање, а производ пресликавања је асоцијатевно, па је и производ пермутација асоцијативан. И на крају покажимо да свака пермутација из G има инверзну пермутацију у истом том скупу. Како је b ( b) = p p( b) = p ( p( b) ) = p ( b) b = p o према томе за сваку пермутацију подгрупа групе G. p Gb имамо p Gb. Тиме је доказано да је G b група, тј Теорема : Нека су b и b два бојења из исте класе еквиваленције. Тада је број пермутација у G које пресликавају b у b једнак G Доказ: Нека је ( b) = b и ( b) b p p( b) = p ( p( b) ) = p ( b) = b p тад за свако p G тј ( b) b p b p =. Тад је o. Према томе ако фиксирамо пермутацију b p = имамо да је укупан број пермутациј а p o p које пресликавају бојење b у бојење b. Нека је f ( p) = p o p., за сваку пермутацију p такву да је p ( b) = b, Тада f пресликава сваку пермутацију која слика b у b, пресликава у 7
пермутацију која пресликава b у b. Даље, ако су p и p пресликавања која пресликавају b у b и p o p = f = f = p o p тада је p o ( p o p ) = p o ( p o p ) па је ( p o p ) o p = ( p o p ) o p па имамо p o p = p o p односно p = p. Према томе f је - пресликавање. Нека је p пресликавање које које слика b у b. Тада је ( p p) = p o ( p o p) = ( p o p ) o p = p o p p f o =, где је p идентична пермутације. Тиме је доказано да је f на - пресликавање, дакле f је обострано једнозначно пресликавање. Тиме доказујемо да је број пресликавања којим се слика b у b једнак броју пермутација које пресликавају b у b. Према томе, ако су b и b оба бојења у истој класи еквиваленције E као и бојење b, тад је број пермутација које пресликавају b у b једнак броју пермутација које сликају b у b, односно G. Овај број се назива количником скупа еквиваленције E. Одатле добијамо G b E = G. Ово такође можемо да напишемо као G = G b. Тако да ако је N број класа еквиваленције, тада је N G = b E b = E b E G b G b где је K скуп свих бојења. Према томе, скуп свих различитих бојења, то Gb b K јест, број N класа еквиваленција, дат је са N = = Gb. G G b K За сваку пермутацију p, нека је ϕ ( p) једнак броју бојења које p оставља фиксним. Уочимо да ако за свако бојење пронађемо број пермутација које то бојење остављају фиксном и пронађемо ову суму над свим бојењима, добијамо исти резултат као кад проналазимо број бојења које сваку пермутацију остављају фиксном. Сумирање над скупом ових пермутација према томе даје G = ϕ ( p) и N = G = ϕ( p) b K b p G G b b K G p G b K што представља резултат Бернсајдове леме: Ако је K скуп свих бојења над скупом S, G група пермутација на скупу S и N број класа еквиваленције ( тј. број различитих бојења) тада је N = Gb = ϕ( p). G G b K p G Посматрајмо све ово изложено на већ споменутом квадрата са боје примеру бојења 7
7
При чему се сматрају еквивалентним бојењима сва она која се добијају ротацијом квадрата R = R 9 и кое се може представити пермутацијом p = ( 34) R = R 8 и кое се може представити пермутацијом p 3 = ( 34) R = R 7 и кое се може представити пермутацијом p 4 = ( 43) Затим две симетрије у односу на симетрале страница и две у односу на дијагонале S = S и кое се може представити пермутацијом p 8 = ( 43) S = S 3 и кое се може представити пермутацијом p 7 = ( 43) S 3 = S 3 и кое се може представити пермутацијом p 5 = ( 34) S 4 = S 4 и кое се може представити пермутацијом p 6 = ( 43) Као и идентично пресликавање I а које се представља пермутацијом p 34 Ова пресликавања тј. пермутације чине окталну групу = ( ) p о p j p p p 3 p 4 p 5 p 6 p 7 p 8 p p p p 3 p 4 p 5 p 6 p 7 p 8 p p p 3 p 4 p p 7 p 8 p 6 p 5 p 3 p 3 p 4 p p p 6 p 5 p 8 p 7 p 4 p 4 p p p 3 p 8 p 7 p 5 p 6 p 5 p 5 p 8 p 6 p 7 p p 3 p 4 p p 6 p 6 p 7 p 5 p 8 p 3 p p p 4 p 7 p 7 p 5 p 8 p 6 p p 4 p p 3 p p 8 p 8 p 6 p 7 p 5 p 4 p p 3 73
Таблицу бојења темена квадрата са две боје добијамо p 3 4 b = cccc b = cccb b = ccbc 3 3 b = ccbb 4 4 b = cbcc 5 5 b = cbcb 6 6 b = cbbc 7 7 b = cbbb 8 8 b = bccc 9 9 b = bccb b = bcbc b = bcbb b = bbcc 3 3 b = bbcb 4 4 b = bbbc 5 5 b = bbbb 6 6 p 34 p 3 34 p 4 4 3 p 5 3 4 p 6 43 p 7 43 p 8 4 3 b b b b b b b b b 3 b 5 b 9 b b 5 b 9 3 b b 5 b 9 b b 9 b 3 b 5 b b 7 b 3 b b b 7 b 3 4 b b 9 b b 3 b 5 b b 3 9 b b b 6 b b 6 b 6 b b b 3 b b 4 b 3 b 4 b 7 b b 5 b 4 b b 4 b 8 b 5 b b b 3 b 5 b 3 b 9 b 5 b b 4 b 7 b 3 b 4 b 3 b 7 b b 6 b b 6 b b b 6 6 b b 8 b 5 b 4 b b 5 b 4 8 b b b 4 b 7 b 7 b b 4 3 b b b 8 b 5 b 8 b 4 b 5 b b 4 b b 8 b 5 b b 8 4 b b 6 b 6 b 6 b 6 b 6 b 6 6 b 8 b b b b b 4 b b b b b 4 b b b b b 8 ϕ ( p) 6 4 8 8 4 4 48/6 p ( b ) = b Примена Бернсајдове теореме, у општем случају, има уочљив недостатак. Наиме за групу великог реда потребно је је за сваку њену пењрмутацију наћи број фиксних тачака. Са порастом реда групе, рачунање постаје напорно. Нешто мало упрошћење представња деловање конјугованом групом, јер имају исту цикличну структуру као и почетна група, па према томе те конјуговане групе имају исти број фиксних тачака. На основу теореме: Нека је p = a a,..., a a, a,..., a... a, a,..., a произвољна ( )( ) ( ), пермутација. Тада за пермзтацију пермутацију пермутације p, важи q = α a α( a ),..., α( a ) α( a ), q = αpα, такозвану конјуговану ( ( ) )( α( a ),..., α( a ))... ( α( a ), α( a ),..., α( a )), Стога се уместо сумирања по свим пермутацијама, може сумирати по класама конјугованости. То значи да до истог резултата можемо доћи применом само ротација квадрата. У нашем случају класу конјугованости 74
добијамо од пермутација { p, p, p p } p o p 3, o p K, p G; L; p o p4 o p K, p G; Tако да добијамо исти резултат када узмемо подгрупу K = јер је p о p j p p p 3 p 4 p 5 p 6 p 7 p 8 p p p p 3 p 4 p 5 p 6 p 7 p 8 p p p 3 p 4 p p 7 p 8 p 6 p 5 p 3 p 3 p 4 p p p 6 p 5 p 8 p 7 p 4 p 4 p p p 3 p 8 p 7 p 5 p 6 p 5 p 5 p 8 p 6 p 7 p p 3 p 4 p p 6 p 6 p 7 p 5 p 8 p 3 p p p 4 p 7 p 7 p 5 p 8 p 6 p p 4 p p 3 p p 8 p 8 p 6 p 7 p 5 p 4 p p 3 p о p j p p p 3 p 4 p p p p 3 p 4 p p p 3 p 4 p p 3 p 3 p 4 p p p p 4 p 4 p p 3 4 75
Што после дејства овом групом на скуп бојења, добијамо следећу табелу p 34 p 34 p 3 34 p 4 p b = b 43 ( ) b = cccc b b b b 8 b = cccb b b 3 b 5 b 9 b 3 = ccbc b 3 b 5 b 9 b b 4 = ccbb b 4 b 7 b 3 b b 5 = cbcc b 5 b 9 b b 3 b 6 = cbcb b 6 b b 6 b 4 b 7 = cbbc b 7 b 3 b b 4 b 8 = cbbb b 8 b 5 b 4 b b 9 = bccc b 9 b b 3 b 5 b = bccb b b 4 b 7 b 3 b = bcbc b b 6 b b 6 4 b = bcbb b b 8 b 5 b 4 b 3 = bbcc b 3 b b 4 b 7 b 4 = bbcb b 4 b b 8 b 5 b 5 = bbbc b 5 b 4 b b 8 b 6 = bbbb b 6 b 6 b 6 b 8 6 ϕ ( p) 6 4 4/4=6 + Циклусни индекс Ако сваку пермутацију представимо у облику производа циклова нпр p 7 = 43 = ( 4)( 3) и при томе бојење у неком циклусу остаје неизмењено, боја сваког елемента (темена) мора да буде иста као боја следећег елемента у кој се он пресликава. Према томе сви елементи једног цикла морају бити исте боје. Тако на пример за пермутацију p 7 = ( 4)( 3) са два циклуса постоји 4 могућности тј фикснг бојења са две боје која, теме и 4 боји са две боје, а темена и 3 такође са две боје, што даје следећа 4 бојења: b = cccc, b 6 = bbbb, b 7 = cbbc, b = bccb. Како за сваки циклус постоје две могућности за избор боје, то је укупан број бојења који Cy( ) остаје исти применом пермутације p je p, где је Cy ( p) број циклуса у пермутацији p, укључујићи и циклусе дужине. За представљање структуре циклуса користимо ознаку, где је број циклуса дужине m.као што је већ споменуто, да би смо пронашли број бојења која остају фиксна Cy( ) по примени неке пермутације p, треба да израчунамо p где је Cy ( p) 76
број циклуса у пермутацији p. Тад израчунамо суму над свим p G пермутацијама како би смо пронашли ( p) ϕ. Други начин јесте да се узме циклична форма и узме за сваки циклус број боја ( у нашем случају то је ). На пример p 4 3 = c c = c = па онда онда израчунамо збир ( )( ) 4 ϕ ( p). 7 = z = p G Трећа метода јесте да се за сваку пермутацију нађе њена циклична форма p = 3 = c 4 ( )( )( )( ) ( ) 4 4 p = 34 = c ( ) 4 ( 3)( )( ) c ( )( 4)( ) c ( 4)( ) c ( )( ) c p 4 = 43 = c p = = c 5 4 6 = 3 p = c ( 3)( ) c p 3 = 4 = p 7 = 3 = p 8 = 34 = па онда саберу цикличне форме тј за наш пример добијамо 4 c + c4 + c c + 3c који називамо полином циклусног индекса или краће циклусни индекс, ако тај збир поделимо редом групе 4 Z ( c, c, c3, c4 ) = ( c + c4 + c c + 3c ) па за сваки циклус ставимо G, 4 вредност, добијамо + + + 3 = 6 + 4 + 6 + = 48. Ако сад тај број поделимо бројем пермутацја, добијамо број нееквивалентних бојења. 48 4 ϕ ( p) = = 6, тј. Z (,,,) = ( + + + 3 ) = 6 G p G 8 8 У општем случају за m боја добијамо нееквивалентних бојења темњна квадрата укупно Z + 8 4 3 ( m, m, m, m) = ( m + m + m 3m ). 77
Примена Пољине теореме У предходном излагању смо видели да се применом Бернсајдове теореме може одредити само број орбита, тј. нееквивалентних бојења, док се о самим орбитама ( њиховој кардиналности) није могло ништа рећи. Овај недостатак отклања Пољина теорема. У њој је на својствен начин извршено спајање Бернсадове теореме и технике пребројавања на бази функција генератрисе. Размотримо сад структуру бојења за сваки циклус: Најпре размотримо дејство пермутације представљених са четири циклуса дужине, 4 p = ( )( )( 3)( 4) = c тад имамо следеће следећих 6 случајева cccc, cccb, ccbc, ccbb, cbcc, cbcb, cbbc, cbbb, bbbb, bbbc, bbcb, bbcc, bcbb, bcbc, bccb, bccc или у облику 3 3 4 ( ) 4 4 c b + 6c b + 4 c + 4 cb + b = b + c, до ког смо могли доћи и следећим резоновањем. Циклус дужине може битти обојен само на један начин бојом b или c, а пошто имамо четири таква циклуса, све могућности бојења су изражене формулом ( b + c) 4 = ( ) 4 и p 4 ( 43) = c4 p 34 = c = сад имамо две могућности јер сва четири темена морају бити исто обојена са b или c бојом, 4 4 bbbb = b, cccc = c што можемо представити са 4 4 форомулом b + c. Следеће пермутације p 3 = ( 3)( 4) = c, p 7 = ( 4)( 3) = c, p 8 = ( )( 34) = c даје следеће случајеве 4 4, или формулу b b c + c = ( b + c ) cccc ccbb, bbbb, bbcc крају p 5 = ( 3)( )( 4) = c c и p 6 ( )( 4)( 3) = c c +. И на =, дају случајеве cccc, ccbc, cbcb, cbbb, bbbb, bbcb, bccc, bcbc или формулом 4 3 3 4 ( b + c) ( b ) b + c b + c b + cb + b = + c. Можемо уопштити резултат па за циклуса дужине m тј cm тад се m m бојење тих циклуса може представити формулом ( b + c ) јер се циклуса могу бојити или са b или са c, дакле B C представља случај када је циклуса обојено са b, а остали са c. Број начина на који се може овако изабраног бојења једнак је броју начина да се од циклуса изабере, што је једнако. Према томе сматраћемо да B C представља бојења за циклуса обојених у бело и циклуса обојених у бело. Али овај израз представља члан развијеног бинома ( B + C ), јер сва бојења цилуса добијамо сабирањем свих тих чланова за =,,,...,. Према томе бојење циклуса представљамо формулом ( B + C ). Како се свако бојење циклуса састоји c m 78
m од m елемената (темена) стављамо да је B = b и m m наша формула за c описана је формулом ( b + c ). m m C = c. Према томе, Тако да за бојење четвороугла са две боје добијамо следећу структуру бојења пермутације p = ( )( )( 3)( 4) ( 34) ( 3)( 4) ( 43) Структур а циклуса 4 Структура фиксних бојења b + c c ( ) 4 p = c 4 4 4 b + c p 3 = c ( b + c ) p 4 = c 4 4 4 b + c p 5 = ( 3)( )( 4) c c ( b + c) ( b + c 4 3 c + 4c b + 6c b + 4cb 4 4 b + c 4 b + b c + c 4 4 b + c 4 3 b + c b + c b + cb 4 3 3 p 6 = ( )( 4)( 3) c p 7 = ( 4)( 3) ( )( 34) c c ( + c) ( b b + c ( ) b + c c ( ) 4 3 b + c b + c b + cb 4 b + b c + c 4 4 p 8 = b + c b + b c + c 4 4 3 3 4 Z ( c, c, c3, c4 ) = ( c + c c + 3c ( 8b + 8b c + 6b c + 8bc + 8c )= 8 8 4 3 3 4 b + b c + b c + bc + c У случају конјуговане класе { p, p, p p } K = добијамо следећу табелу 3, 4 4 3 пермутације ( )( )( 3)( 4) p = 4 ( 34) Структур а циклуса Структур а фиксних бојења b + c c ( ) 4 p = c 4 4 4 p 3 = ( 3)( 4) ( 43) b + c c ( ) b + c p 4 = c 4 4 4 4 3 c + 4c b + 6c b + 4cb + b 4 4 b + c 4 b + b c + c b + c b + c 4 4 3 3 4 Z ( c, c, c3, c4 ) = ( c + c + c4 ) ( 4b + 4b c + 8b c + 4bc + 4c )= 4 4 4 3 3 4 b + b c + b c + bc + c Што даје исти резултат као и случају целе групе G. 4 4 4 3 79 4
8
IX БОЈЕЊЕ ТЕМЕНА ТРОУГЛА Посматрајмо једнакостраничан троугао чија су темена означена редом бројевима,,,3. Ако уочимо све ротације и рефлексије, које овај троугао пресликава у њега самог, тад имамо: једно идентично 3 пресликавање, које можемо представити пермутацијом p =, 3 затим две ротацоје око центра троугла за 6 и што мпжемо 3 3 представити пермутацијама p 4 = и p 5 = као три 3 3 3 3 3 симетрије p =, p 6 = и p 3 = 3 3 3 Та пресликавања тј. пермутације образују групу, у односу на слагање, приказану у следећој таблици p о p P = 3 P = 3 P 3 = 3 P 4 = 3 P 5 =3 P 6 = 3 P = 3 P P P 3 P 4 P 5 P 6 P = 3 P P P 5 P 6 P 3 P 4 P 3 = 3 P 3 P 4 P P P 6 P 5 P 4 = 3 P 4 P 3 P 6 P 5 P P P 5 =3 P 5 P 6 P P P 4 P 3 P 6 = 3 P 6 P 5 P 4 P 3 P P Ако сада посматрамо сва бојења темена са три боје: B, C, Z тад дејством ових пермутација на бојења темена, дају следеће резултате приказане у табели b = CCB pb = 3 CCB Pb4 = 3 CBC Pb 3 = 3 CCB Pb4 4 = 3 CBC Pb 5 =3 = BCC Pb 6 = 3 = BCC b3 = CCZ b3 P = CCZ = Pb7 ()()(3) = ()(3) CZC Pb3 3 =()(3) = CCZ Pb7 4 =(3) = CZC Pb9 5 =(3) = ZCC b9 P 6 = = ()(3) ZCC B4 = CBC b4 = CBC b = CCB b = BCC b = BCC b = CCB b4 = CBC b= CCC b CCC b CCC b = CCC b = CCC b CCC b CCC 8
B5 = CBB b5 = CBB b5 = CBB b = BCB b3 = BBC b = BCB b3 = BBC B6 = CBZ b6 = CBZ b8 = CZB b = BCZ b6 = BZC b = ZCB b = ZBC B7 = CZC b7 = CZC b3 = CCZ b9 = ZCC b9 = ZCC b3 = CCZ b7 = CZC B8 = CZB b8 = CZB b6 = CBZ b = ZCB b = ZBC b = BCZ b6 = BZC B9 = CZZ b9 = CZZ b9 = CZZ b = ZCZ b5 = ZZC b = ZCZ b5 = ZZC b = BCC b = BCC b = BCC b4 = CBC b = CCB b4 = CBC b = CCB b = BCB b = BCB b3 = BBC b5 = CBB b5 = CBB b3 = BBC b = BCB b = BCZ b = BCZ b6 = BZC b6 = CBZ b8 = CZB b = ZBC b = ZCB b3 = BBC b3 = BBC b = BCB b3 = BBC b = BCB b5 = CBB b5 = CBB b4 = BBB b4 = BBB b4 = BBB b4 = BBB b4 = BBB b4 = BBB b4 = BBB b5 = BBZ b5 = BBZ b7 = BZB b5 = BBZ b7= BZB b3 = ZBB b3 = ZBB b6 = BZC b6 = BZC b = BCZ b = ZBC b = ZCB b6 = CBZ b8 = CZB b7 = BZB b7 = BZB b5 = BBZ b3 = ZBB b3 = ZBB b5 = BBZ b7 = BZB b8 = BZZ b8 = BZZ b8 = BZZ b4 = ZBZ b6 = ZZB b4 = ZBZ b6 = ZZB b9 = ZCC b9 = ZCC b9 = ZCC b7 = CZC b3 = CCZ b7 = CZC b3 = CCZ b = ZCB b = ZCB b = ZBC b8 = CZB b6 = CBZ b6 = BZC b = BCZ b = ZCZ b = ZCZ b5 = ZZC b9 = CZZ b9 = CZZ b5 = ZZC b = ZCZ b = ZBC b = ZBC b = ZCB b6 = BZC b = BCZ b8 = CZB b6 = CBZ b3 = ZBB b3 = ZBB b3 = ZBB b7 = BZB b5 = BBZ b7 = BZB b5 = BBZ b4 = ZBZ b4 = ZBZ b6 = ZZB b8 = BZZ b8 = BZZ b6 = ZZB b4 = ZBZ b5 = ZZC b5 = ZZC b = ZCZ b5 = ZZC b = ZCZ b9 = CZZ b9 = CZZ b6 = ZZB b6 = ZZB b4 = ZBZ b6 = ZZB b4 = ZBZ b8 = BZZ b8 = BZZ b7 = ZZZ b7 = ZZZ b7 = ZZZ b7 = ZZZ b7 = ZZZ b7 = ZZZ b7 = ZZZ Посматрајмо сада исти проблем пребројавања различитих бојења деловањем пермутационе групе. Ако у неком циклусу бојење остаје неизмењено, боја сваког елемента мора да буде иста као и боја следећег елемета у који се он пресликава. Према томе сваки илемент једног цикла мора бити исто обојен Тако на пример за пермутацију p 3 = ( )( 3) са два циклуса постоји 9 могућности тј фикснс бојења са три боје која, теме и бојји са са три боје, а темена 3 такође са три боје, што даје следећих 9 бојења: b = CCC b = CCB, b 3 = CCZ, b 3 = BBC, b 4 = BBB, b 5 = BBZ, b = ZZC b 6 = ZZB, b = ZZZ, 5, 7.Како за сваки циклус постоје три могућности за избор боје, то је укупан број бојења који остаје исти применом пермутације Cy( ) p je p Cy број циклуса у пермутацији p, укључујићи и циклусе дужине. За представљање структуре циклуса користимо ознаку, где је број циклуса дужине m.као што је већ споменуто, да би смо 3, где је ( p) пронашли број бојења која остају фиксна по примени неке пермутације p, Cy( ) треба да израчунамо p 3 где је ( p) Cy број циклуса у пермутацији p. 8
Тад израчунамо суму над свим пермутацијама како би смо пронашли ϕ p. p G ( ) Други начин јесте да се узме циклична форма и узме за сваки циклус број боја ( у нашем случају то је ). На пример p 3 = ( )( 3) = cc = 3 3 = 9 или p 5 = ( 3) = c3 = 3 фиксних бојења,па онда онда израчунамо збир ϕ p.. p G ( ) Трећа метода јесте да се за сваку пермутацију нађе њена циклична форма P =()()(3) 3 c P = ()(3) c c P 3 =()(3) c c P 4 =(3) c 3 P 5 =(3) c 3 P 6 =()(3) c c 83
па онда саберу цикличне форме тј за наш пример добијамо 3 c + 3cc + c3 који називамо полином циклусног индекса или краће циклусни индекс, ако тај збир поделимо редом групе Z 3 + G 3 ( c c, c ) = ( c + 3c c ), c3, па за сваки циклус ставимо вредност 3, добијамо 3 3 + 3 3 3+ 3 = 7 + 7 + 6 = 6. Ако сад тај број поделимо бројем пермутацја, добијамо број нееквивалентних бојења. 6 3 ϕ ( p) = =, тј. Z ( 3,3,3 ) = ( 3 + 3 3 3+ 3 ) = G p G 6 6 У општем случају за m боја добијамо нееквивалентних бојења темњна, квадрата укупно Z ( m m m) = ( m + 3m + m), 6 3. 84
85
X БОЈЕЊЕ ТЕТРАЕДРА Група пресликавања ивица тетраедра као пермутациона група f f f3 f4 f5 f6 p,,3,3,4,4 3,4 p,3 3,4,4,,3,4 p3,4,4,,3 3,4,3 p4,3,4 3,4,3,,4 p5,4,,4 3,4,3,3 p6,4 3,4,3,,4,3 p7,4,3 3,4,4,,3 p8,3,3,,4 3,4,4 p9,3,,3 3,4,4,4 p,,4,4,3,3 3,4 p 3,4,3,4,4,3, p 3,4,4,3,3,4, 86
Таблица групе ивица тетраедра p p p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p p p p p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p p p p3 p p p7 p8 p p p4 p6 p5 p9 p3 p3 p p p9 p p p5 p6 p p8 p7 p4 p4 p4 p p6 p5 p p p9 p p p7 p8 p3 p5 p5 p8 p p p4 p3 p p p7 p9 p p6 p6 p6 p4 p p p8 p7 p p p3 p p9 p5 p7 p7 p p9 p p p p6 p5 p p4 p3 p8 p8 p8 p p5 p6 p p p p9 p p3 p4 p7 p9 p9 p7 p p p3 p4 p p p8 p5 p6 p p p p9 p7 p8 p6 p5 p3 p4 p p p p p p p6 p4 p3 p9 p p8 p7 p5 p p p p p p5 p8 p7 p p9 p4 p3 p6 p p p 87
88
89
9
Ивентар бојења ивица тетраедра са две боје Циклусни индекс IZ 6 + 3Z Z + 8Z3 M f@x_, x_, x3_d:=ix 6 + 3* x * x + 8* x3 M faa+ c + b, a + c + b, a 3 + c 3 + b 3E= IHa+ bl6 + 3Ha+ blia + b M + 8Ia 3 + b 3MM = Ia 6 + a 5 b+ 4a 4 b +48a 3 b 3 + 4a b 4 + a b 5 + b 6M= 6L a H 6 + a 5 b + 4 a 4 b + 48 a 3 b 3 + 4 a b 4 + a b 5 + b a 6 + a 5 b+ a 4 b +4a 3 b 3 + a b 4 + a b 5 + b 6 Два бојења свих шест ивиц прво бојом a а затим бојом b Два бојења пет ивиц бојом a (b ) и једну ивицу бојом b (а) По два бојења четири ивице бојом b (a ) и две ивице бојом a (b ) И четири бојења три ивице бојом a и три ивице бојом b f[,,]= Дакле укупно нееквивалентних бојења. Ивентар бојења ивица тетраедра са три боје Циклусни индекс IZ 6 + 3Z Z + 8Z3 M f@x_, x_, x3_d:=ix 6 + 3* x * x + 8* x3 M faa+ c+ b, a + c + b, a 3 + c 3 + b 3E= IHa+ b+ cl6 + 3Ha+ b+ clia + b + c M + 8Ia 3LM 3 + b 3 + c 3MM = IHa + b + cl6 + 3Ha + b + clha + b + c L + 8Ha 3 + b 3 + c a 6 + a 5 b+ a 4 b + 4a 3 b 3 + a b 4 + a b 5 + b 6 + a 5 c+ 3a 4 bc+ 6a 3 b c+ 6a b 3 c+ 3a b 4 c+ b 5 c+ a 4 c + 6a 3 bc + 9a b c + 6a b 3 c + b 4 c +4a 3 c 3 + 6a bc 3 + 6a b c 3 + 4 b 3 c 3 + a c 4 + 3a bc 4 + b c 4 + ac 5 + bc 5 + c 6 f[3,3,3]= 87 Дакле укупно 87 нееквивалентних бојења. Ивентар бојења ивица тетраедра са четири боје 9
Циклусни индекс IZ 6 + 3Z Z + 8Z3 M f@x_, x_, x3_d:=ix 6 + 3* x * x + 8* x3 M faa+ c+ b+ d, a + c + b + d, a 3 + c 3 + b 3 + d 3E= IHa+ b+ c+ dl6 + 3Ha+ b+ c+dlia + b + c + d M + 8Ia 3 + b 3 + c 3 + d 3MM = a 6 + a 5 b+ a 4 b +4a 3 b 3 + a b 4 + a b 5 + b 6 + a 5 c+ 3a 4 bc+ 6a 3 b c+ 6a b 3 c+ 3a b 4 c+ b 5 c+ a 4 c +6a 3 bc + 9a b c + 6a b 3 c + b 4 c +4a 3 c 3 + 6a bc 3 + 6a b c 3 + 4 b 3 c 3 + a c 4 +3a bc 4 + b c 4 + ac 5 + bc 5 +c 6 + a 5 d+ 3a 4 bd+ 6a 3 b d+ 6a b 3 d+ 3a b 4 d+ b 5 d+ 3a 4 cd+ a 3 bcd+ 6a b cd+ a b 3 cd+ 3 b 4 cd+ 6a 3 c d+ 6a bc d+ 6a b c d+ 6 b 3 c d+ 6a c 3 d+ a bc 3 d+ 6 b c 3 d+ 3ac 4 d+ 3 bc 4 d+c 5 d+ a 4 d + 6a 3 bd + 9a b d + 6a b 3 d + b 4 d + 6a 3 cd + 6a bcd +6a b cd + 6 b 3 cd + 9a c d + 6a bc d + 9 b c d + 6ac 3 d + 6 bc 3 d + c 4 d + 4a 3 d 3 + 6a bd 3 + 6a b d 3 +4 b 3 d 3 + 6a cd 3 + a bcd 3 + 6 b cd 3 + 6ac d 3 + 6 bc d 3 + 4c 3 d 3 + a d 4 +3a bd 4 + b d 4 + 3acd 4 + 3 bcd 4 +c d 4 + ad 5 + bd 5 + cd 5 +d 6 f[4,4,4]= 46 Дакле укупно 46 нееквивалентних бојења. 9
Група пресликавања страна тетраедра као пермутациона група P = 3 4 ( ) ( ) ( 3 ) ( 4 ) P = 4 3 ( 4 ) ( 3 ) P 3 = 4 3 ( 4 ) ( 3 ) P 4 = 3 4 ( 3 ) ( 4 ) P 5 = 3 4 ( 3 ) ( 4 ) P 6 = 3 4 ( 3 4 ) ( ) P 7 = 4 3 ( 4 3 ) ( ) P 8 = 3 4 ( ) ( 3 4 ) P 9 = 4 3 ( ) ( 4 3 ) P = 4 3 ( ) ( 4 3 ) P = 3 4 ( 3 ) ( 4 ) P = 4 3 ( 4 ) ( 3 ) Циклусни индекс групе страна етраедра P = ( Z ) ( Z ) ( Z ) ( Z ) P = ( Z 3 ) ( Z ) + P 3 = ( Z 3 ) ( Z ) + P 4 = ( Z 3 ) ( Z ) + P 5 = ( Z 3 ) ( Z ) + P 6 = ( Z 3 ) ( Z ) + P 7 = ( Z 3 ) ( Z ) + P 8 = ( Z ) ( Z 3 ) + P 9 = ( Z ) ( Z 3 ) + P = ( Z ) ( Z ) + P = ( Z ) ( Z ) + P = ( Z ) ( Z ) = IZ 4 + 3Z + 8ZZ3M Група пресликавања страна тетраедра као пермутациона група f f f3 f4 p,,3,,4,3,4,3,4 p,3,4,,3,3,4,,4 p3,,4,3,4,3,4,,3 p4,3,4,,3,,4,3,4 p5,,4,3,4,,3,3,4 p6,3,4,,4,3,4,,3 p7,3,4,,4,,3,3,4 p8,,3,3,4,3,4,,4 p9,,3,3,4,,4,3,4 p,,4,,3,3,4,3,4 p,3,4,3,4,,3,,4 p,3,4,3,4,,4,,3 93
Група пресликавања страна тетраедра као пермутациона група p {,,3,4} p {4,,3,} p3 {,4,3,} p4 {3,,,4} p5 {,3,,4} p6 {3,,4,} p7 {4,,,3} p8 {,3,4,} p9 {,4,,3} p {,,4,3} p {3,4,,} p {4,3,,} таблица групе страна тетраедра p p p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p p p p p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p p p p3 p p p7 p8 p p p4 p6 p5 p9 p3 p3 p p p9 p p p5 p6 p p8 p7 p4 p4 p4 p p6 p5 p p p9 p p p7 p8 p3 p5 p5 p8 p p p4 p3 p p p7 p9 p p6 p6 p6 p4 p p p8 p7 p p p3 p p9 p5 p7 p7 p p9 p p p p6 p5 p p4 p3 p8 p8 p8 p p5 p6 p p p p9 p p3 p4 p7 p9 p7 p p p3 p4 p p p8 p5 p6 p p p p9 p7 p8 p6 p5 p3 p4 p p p p p p p6 p4 p3 p9 p p8 p7 p5 p p p p p p5 p8 p7 p p9 p4 p3 p6 p p p таблица групе страна тетраедра p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p,4,3, 3,,,4,3,,4 3,,4, 4,,,3,3,4,,4,,3,,4,3 3,4,, 4,3,,,,3,4 4,3,, 4,,,3,3,4, 3,4,,,,4,3 3,,,4 3,,4,,3,,4,4,,3 4,,3,,4,,3 3,4,,,,4,3,3,,4 3,,4, 4,3,,,3,4, 4,,,3 3,,,4 3,,4,,3,,4,,3,4 4,3,,,4,,3 4,,3,,,4,3 4,,,3,3,4,,4,3, 4,3,,,,3,4 3,,,4,4,3,,,4,3 3,4,, 4,,,3,4,,3 4,,3, 3,,4, 3,4,,,,4,3,3,4, 4,,,3,,3,4 4,3,,,4,3, 4,,3,,4,,3,3,,4,4,,3 4,,3, 4,3,,,,3,4 3,,4,,3,,4 3,4,, 3,,,4,4,3,,3,4,,3,,4 3,,4,,,4,3 3,4,, 4,,3,,4,,3,,3,4,4,3, 3,,,4 4,,,3,,4,3 3,4,,,4,3, 3,,,4 4,3,,,,3,4,3,4,,3,,4 3,,4, 4,,3, 4,,,3,3,4, 3,,4,,3,,4,4,3, 3,,,4 4,,3,,,3,4 4,3,, 3,4,, 3,,,4,4,3,,4,,3 4,,3,,3,4, 4,,,3,3,,4 4,3,,,,3,4,,4,3,3,4, 4,,,3 4,,3,,4,,3 3,,,4,4,3, 3,,4, 3,4,,,,4,3,,3,4 94
95
Ивентар бојења страна тетраедра са три боје Циклусни индекс Z 4 + 3Z + 8ZZ3M f@z_, z_, z3_d:=iz 4 + 3Z + 8ZZ3M f@z_, z_, z3_d:=iz 4 + 3Z + 8ZZ3M = IHa + b + cl4 + 3Ia + b + c M + 8Ha + b+ clia 3 + b 3 + c 3M= a 4 + a 3 b+ a b + a b 3 + b 4 + a 3 c+ a bc+ a b c+ b 3 c+ a c + a bc + b c + ac 3 + bc 3 + c 4 f[3,3,3]= 5 Дакле укупно 5 нееквивалентних бојења. 96
Таблица групе темена тетраедра p p p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p p p p p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p p p p p p3 p p p7 p8 p p p4 p6 p5 p9 p3 p3 p p p9 p p p5 p6 p p8 p7 p4 p4 p4 p p6 p5 p p p9 p p p7 p8 p3 p5 p5 p8 p p p4 p3 p p p7 p9 p p6 p6 p6 p4 p p p8 p7 p p p3 p p9 p5 p7 p7 p p9 p p p p6 p5 p p4 p3 p8 p8 p8 p p5 p6 p p p p9 p p3 p4 p7 p9 p9 p7 p p p3 p4 p p p8 p5 p6 p p p p9 p7 p8 p6 p5 p3 p4 p p p p p p p6 p4 p3 p9 p p8 p7 p5 p p p p p p5 p8 p7 p p9 p4 p3 p6 p p p 97
98
99
3
Ивентар бојења темена тетраедра са четири боје Циклусни индекс IZ 4 + 3Z + 8ZZ3M f@z_, Z_, Z3_D:=IZ 4 + 3Z + 8ZZ3M 3E faa+ c+ b+ d, a + c + b + d, a 3 + c 3 + b 3 + d IHa + b + c + dl4 + 3Ha + b + c + d L + 8Ha + b + c + dlha 3LM 3 + b 3 + c 3 + d a 4 + a 3 b+ a b + a b 3 + b 4 + a 3 c+ a bc+ a b c+ b 3 c+ a c + a bc + b c + ac 3 + bc 3 + c 4 + a 3 d+ a bd+ a b d+ b 3 d+ a cd+ a bcd+ b cd+ ac d+ bc d+ c 3 d+a d + a bd + b d + acd + bcd + c d + ad 3 + bd 3 + cd 3 + d 4 f[4,4,4]= 36 Дакле укупно 36 нееквивалентних бојења. 4
XI Бојење коцке 5
Пермутациона група пресликавања страна коцке p {,,3,4,5,6} p {6,4,3,,5,} p3 {,,3,6,5,4} p4 {4,6,3,,5,} p5 {,,6,3,4,5} p6 {,,5,6,3,4} p7 {,,4,5,6,3} p8 {3,5,,4,,6} p9 {,,5,4,3,6} p {5,3,,4,,6} p {6,4,,5,,3} p {3,5,6,,4,} p3 {5,3,4,,6,} p4 {6,4,,3,,5} p5 {5,3,6,,4,} p6 {4,6,,5,,3} p7 {4,6,,3,,5} p8 {3,5,4,,6,} p9 {,,6,5,4,3} p {6,4,5,,3,} p {5,3,,6,,4} p {,,4,3,6,5} p3 {4,6,5,,3,} p4 {3,5,,6,,4} 6
7
8
9
Ивентар бојења стеана коцке са две боје Циклусни индекс IZ 6 + 3Z Z + 6Z 3 +8Z3 + 6Z Z4M4 F@Z_, Z_, Z3_, Z4_D:=IZ 6 + 3Z Z + 6Z 3 + 8Z3 + 6Z Z4M4 FAa+ b, a + b, a 3 + b 3, a 4 + b 4E= 4LM 4IHa + bl6 + 3Ha+ blha + b L + 6Ha + b L3 + 8Ha 3 + b 3L + 6Ha + blha 4 + b a 6 + a 5 b+ a 4 b + a 3 b 3 + a b 4 + a b 5 + b 6 Два бојења свих шест страна прво бојом a а затим бојом b Два бојења пет странабојом a (b ) и једну страну бојом b (а) По два бојења четири стране бојом b (a ) и две стране бојом a (b ) И по два бојења три стране бојом a и три стране бојом b F[,,,]= Дакле укупно нееквивалентних бојења. Ивентар бојења страна коцке са четири боје Циклусни индекс IZ 6 + 3Z Z + 6Z 3 +8Z3 + 6Z Z4M4 F@Z_, Z_, Z3_, Z4_D:=IZ 6 + 3Z Z + 6Z 3 + 8Z3 + 6Z Z4M4 FAa+ b+ c+d, a + b + c + d, a 3 + b 3 + c 3 + d 3, a 4 + b 4 + c 4 + d 4E= 4IHa + b + c + dl6 + 3Ha + b + c + dlha + b + c + d L + 4LM 6Ha + b + c + d L3 + 8Ha 3 + b 3 + c 3 + d 3L + 6Ha+ b + c + dlha 4 + b 4 + c 4 + d a 6 + a 5 b + a 4 b + a 3 b 3 + a b 4 + a b 5 + b 6 + a 5 c + a 4 b c+ 3 a 3 b c + 3 a b 3 c+ a b 4 c+ b 5 c + a 4 c + 3 a 3 b c + 6 a b c + 3 a b 3 c + b 4 c + a 3 c 3 + 3 a b c 3 + 3 a b c 3 + b 3 c 3 + a c 4 + a b c 4 + b c 4 + a c 5 + b c 5 + c 6 + a 5 d + a 4 b d + 3 a 3 b d + 3 a b 3 d+ a b 4 d+ b 5 d + a 4 c d + 5 a 3 b c d + 8 a b c d + 5 a b 3 c d+ b 4 c d + 3 a 3 c d + 8 a b c d + 8 a b c d+ 3 b 3 c d + 3 a c 3 d + 5 a b c 3 d + 3 b c 3 d + a c 4 d + b c 4 d+ c 5 d+ a 4 d + 3 a 3 b d + 6 a b d + 3 a b 3 d + b 4 d + 3 a 3 c d + 8 a b c d + 8 a b c d + 3 b 3 c d + 6 a c d + 8 a b c d + 6 b c d + 3 a c 3 d + 3 b c 3 d + c 4 d + a 3 d 3 + 3 a b d 3 + 3 a b d 3 + b 3 d 3 + 3 a c d 3 + 5 a b c d 3 + 3 b c d 3 + 3 a c d 3 + 3 b c d 3 + c 3 d 3 + a d 4 + a b d 4 + b d 4 + a c d 4 + b c d 4 + c d 4 + a d 5 + b d 5 + c d 5 + d 6 F[4,4,4,4]= 4 Дакле укупно 4 нееквивалентних бојења.
Ивентар бојења ивица коцке са четири боје Циклусни индекс IZ + 6Z Z 5 + 3Z 6 +8Z3 4 + 6Z4 3M4 F@Z_, Z_, Z3_, Z4_D:=IZ + 6Z Z 5 + 3Z 6 + 8Z3 4 + 6Z4 3M4 FAa+ b+ c+d, a + b + c + d, a 3 + b 3 + c 3 + d 3, a 4 + b 4 + c 4 + d 4E= 4IHa + b + c + dl + 6Ha + b + c + dlha + b + c + d L5 + 4L3M 3Ha + b + c + d L6 + 8Ha 3 + b 3 + c 3 + d 3L4 + 6Ha 4 + b 4 + c 4 + d a + a b+ 5a b +3a 9 b 3 + 7a 8 b 4 + 38a 7 b 5 + 48a 6 b 6 + 38a 5 b 7 + 7a 4 b 8 + 3a 3 b 9 + 5a b + a b + b + a c+ 6a bc+ 3a 9 b c+ 85a 8 b 3 c+ 7a 7 b 4 c+ 36a 6 b 5 c+ 36a 5 b 6 c+7a 4 b 7 c+ 85a 3 b 8 c+ 3a b 9 c+ 6a b c+ b c+ 5a c +3a 9 bc + 35a 8 b c + 34a 7 b 3 c + 6a 6 b 4 c + 78a 5 b 5 c + 6a 4 b 6 c + 34a 3 b 7 c + 35a b 8 c + 3a b 9 c + 5 b c + 3a 9 c 3 + 85a 8 bc 3 + 34a 7 b c 3 + 784a 6 b 3 c 3 + 7a 5 b 4 c 3 + 7a 4 b 5 c 3 + 784a 3 b 6 c 3 + 34a b 7 c 3 + 85a b 8 c 3 +3 b 9 c 3 + 7a 8 c 4 + 7a 7 bc 4 + 6a 6 b c 4 + 7a 5 b 3 c 4 + 479a 4 b 4 c 4 + 7a 3 b 5 c 4 + 6a b 6 c 4 + 7a b 7 c 4 + 7 b 8 c 4 + 38a 7 c 5 +36a 6 bc 5 + 78a 5 b c 5 + 7a 4 b 3 c 5 + 7a 3 b 4 c 5 + 78a b 5 c 5 + 36a b 6 c 5 + 38 b 7 c 5 + 48a 6 c 6 + 36a 5 bc 6 + 3
6a 4 b c 6 + 784a 3 b 3 c 6 + 6a b 4 c 6 + 36a b 5 c 6 + 48 b 6 c 6 + 38a 5 c 7 + 7a 4 bc 7 + 34a 3 b c 7 + 34a b 3 c 7 +7a b 4 c 7 + 38 b 5 c 7 + 7a 4 c 8 + 85a 3 bc 8 + 35a b c 8 + 85a b 3 c 8 + 7 b 4 c 8 + 3a 3 c 9 + 3a bc 9 + 3a b c 9 + 3 b 3 c 9 + 5a c + 6a bc + 5 b c + ac + bc + c + a d+ 6a bd+ 3a 9 b d+ 85a 8 b 3 d+ 7a 7 b 4 d+36a 6 b 5 d+ 36a 5 b 6 d+ 7a 4 b 7 d+ 85a 3 b 8 d+ 3a b 9 d+ 6a b d+ b d+ 6a cd+ 55a 9 bcd+ 5a 8 b cd+ 66a 7 b 3 cd+ 6a 6 b 4 cd+ 386a 5 b 5 cd+6a 4 b 6 cd+ 66a 3 b 7 cd+ 5a b 8 cd+ 55a b 9 cd+ 6 b cd+3a 9 c d+ 5a 8 bc d+ a 7 b c d+ 3a 6 b 3 c d+ 348a 5 b 4 c d+ 348a 4 b 5 c d+ 3a 3 b 6 c d+ a b 7 c d+ 5a b 8 c d+ 3 b 9 c d+ 85a 8 c 3 d+66a 7 bc 3 d+ 3a 6 b c 3 d+ 46a 5 b 3 c 3 d+ 579a 4 b 4 c 3 d+ 46a 3 b 5 c 3 d+ 3a b 6 c 3 d+ 66a b 7 c 3 d+ 85 b 8 c 3 d+ 7a 7 c 4 d+ 6a 6 bc 4 d+348a 5 b c 4 d+ 579a 4 b 3 c 4 d+ 579a 3 b 4 c 4 d+ 348a b 5 c 4 d+ 6a b 6 c 4 d+7 b 7 c 4 d+ 36a 6 c 5 d+ 386a 5 bc 5 d+ 348a 4 b c 5 d+ 46a 3 b 3 c 5 d+348a b 4 c 5 d+ 386a b 5 c 5 d+ 36 b 6 c 5 d+ 36a 5 c 6 d+ 6a 4 bc 6 d+3a 3 b c 6 d+ 3a b 3 c 6 d+ 6a b 4 c 6 d+ 36 b 5 c 6 d+ 7a 4 c 7 d+66a 3 bc 7 d+ a b c 7 d+ 66a b 3 c 7 d+ 7 b 4 c 7 d+ 85a 3 c 8 d+5a bc 8 d+ 5a b c 8 d+ 85 b 3 c 8 d+ 3a c 9 d+ 55a bc 9 d+ 3 b c 9 d+ 6ac d+ 6 bc d+ c d+ 5a d + 3a 9 bd + 35a 8 b d + 34a 7 b 3 d +6a 6 b 4 d + 78a 5 b 5 d + 6a 4 b 6 d + 34a 3 b 7 d + 35a b 8 d + 3a b 9 d +5 b d + 3a 9 cd + 5a 8 bcd + a 7 b cd + 3a 6 b 3 cd + 348a 5 b 4 cd + 348a 4 b 5 cd + 3a 3 b 6 cd + a b 7 cd + 5a b 8 cd + 3 b 9 cd + 35a 8 c d + a 7 bc d + 35a 6 b c d + 696a 5 b 3 c d + 873a 4 b 4 c d +696a 3 b 5 c d + 35a b 6 c d + a b 7 c d + 35 b 8 c d +34a 7 c 3 d + 3a 6 bc 3 d + 696a 5 b c 3 d + 58a 4 b 3 c 3 d + 58a 3 b 4 c 3 d +696a b 5 c 3 d + 3a b 6 c 3 d + 34 b 7 c 3 d + 6a 6 c 4 d + 348a 5 bc 4 d + 873a 4 b c 4 d + 58a 3 b 3 c 4 d + 873a b 4 c 4 d + 348a b 5 c 4 d + 6 b 6 c 4 d + 78a 5 c 5 d + 348a 4 bc 5 d + 696a 3 b c 5 d + 696a b 3 c 5 d + 348a b 4 c 5 d + 78 b 5 c 5 d + 6a 4 c 6 d + 3a 3 bc 6 d + 35a b c 6 d +3a b 3 c 6 d + 6 b 4 c 6 d + 34a 3 c 7 d + a bc 7 d + a b c 7 d + 34 b 3 c 7 d + 35a c 8 d + 5a bc 8 d + 35 b c 8 d + 3ac 9 d + 3 bc 9 d + 5c d + 3a 9 d 3 + 85a 8 bd 3 + 34a 7 b d 3 + 784a 6 b 3 d 3 +7a 5 b 4 d 3 + 7a 4 b 5 d 3 + 784a 3 b 6 d 3 + 34a b 7 d 3 + 85a b 8 d 3 +3 b 9 d 3 + 85a 8 cd 3 + 66a 7 bcd 3 + 3a 6 b cd 3 + 46a 5 b 3 cd 3 + 579a 4 b 4 cd 3 + 46a 3 b 5 cd 3 + 3a b 6 cd 3 + 66a b 7 cd 3 + 85 b 8 cd 3 + 34a 7 c d 3 + 3a 6 bc d 3 + 696a 5 b c d 3 + 58a 4 b 3 c d 3 + 58a 3 b 4 c d 3 + 696a b 5 c d 3 +3a b 6 c d 3 + 34 b 7 c d 3 + 784a 6 c 3 d 3 + 46a 5 bc 3 d 3 + 58a 4 b c 3 d 3 + 548a 3 b 3 c 3 d 3 + 58a b 4 c 3 d 3 + 46a b 5 c 3 d 3 + 784 b 6 c 3 d 3 +7a 5 c 4 d 3 + 579a 4 bc 4 d 3 + 58a 3 b c 4 d 3 + 58a b 3 c 4 d 3 + 579a b 4 c 4 d 3 + 7 b 5 c 4 d 3 + 7a 4 c 5 d 3 + 46a 3 bc 5 d 3 + 696a b c 5 d 3 +46a b 3 c 5 d 3 + 7 b 4 c 5 d 3 + 4
784a 3 c 6 d 3 + 3a bc 6 d 3 + 3a b c 6 d 3 + 784 b 3 c 6 d 3 + 34a c 7 d 3 + 66a bc 7 d 3 + 34 b c 7 d 3 + 85ac 8 d 3 + 85 bc 8 d 3 + 3c 9 d 3 + 7a 8 d 4 + 7a 7 bd 4 + 6a 6 b d 4 + 7a 5 b 3 d 4 +479a 4 b 4 d 4 + 7a 3 b 5 d 4 + 6a b 6 d 4 + 7a b 7 d 4 + 7 b 8 d 4 + 7a 7 cd 4 + 6a 6 bcd 4 + 348a 5 b cd 4 + 579a 4 b 3 cd 4 + 579a 3 b 4 cd 4 + 348a b 5 cd 4 + 6a b 6 cd 4 + 7 b 7 cd 4 + 6a 6 c d 4 + 348a 5 bc d 4 + 873a 4 b c d 4 +58a 3 b 3 c d 4 + 873a b 4 c d 4 + 348a b 5 c d 4 + 6 b 6 c d 4 + 7a 5 c 3 d 4 + 579a 4 bc 3 d 4 + 58a 3 b c 3 d 4 + 58a b 3 c 3 d 4 + 579a b 4 c 3 d 4 + 7 b 5 c 3 d 4 +479a 4 c 4 d 4 + 579a 3 bc 4 d 4 + 873a b c 4 d 4 + 579a b 3 c 4 d 4 + 479 b 4 c 4 d 4 +7a 3 c 5 d 4 + 348a bc 5 d 4 + 348a b c 5 d 4 + 7 b 3 c 5 d 4 + 6a c 6 d 4 + 6a bc 6 d 4 + 6 b c 6 d 4 + 7ac 7 d 4 + 7 bc 7 d 4 + 7c 8 d 4 +38a 7 d 5 + 36a 6 bd 5 + 78a 5 b d 5 + 7a 4 b 3 d 5 + 7a 3 b 4 d 5 + 78a b 5 d 5 + 36a b 6 d 5 + 38 b 7 d 5 + 36a 6 cd 5 + 386a 5 bcd 5 + 348a 4 b cd 5 + 46a 3 b 3 cd 5 +348a b 4 cd 5 + 386a b 5 cd 5 + 36 b 6 cd 5 + 78a 5 c d 5 + 348a 4 bc d 5 +696a 3 b c d 5 + 696a b 3 c d 5 + 348a b 4 c d 5 + 78 b 5 c d 5 + 7a 4 c 3 d 5 + 46a 3 bc 3 d 5 + 696a b c 3 d 5 + 46a b 3 c 3 d 5 + 7 b 4 c 3 d 5 + 7a 3 c 4 d 5 + 348a bc 4 d 5 + 348a b c 4 d 5 + 7 b 3 c 4 d 5 + 78a c 5 d 5 + 386a bc 5 d 5 +78 b c 5 d 5 + 36ac 6 d 5 + 36 bc 6 d 5 + 38c 7 d 5 + 48a 6 d 6 +36a 5 bd 6 + 6a 4 b d 6 + 784a 3 b 3 d 6 + 6a b 4 d 6 + 36a b 5 d 6 + 48 b 6 d 6 + 36a 5 cd 6 + 6a 4 bcd 6 + 3a 3 b cd 6 + 3a b 3 cd 6 + 6a b 4 cd 6 + 36 b 5 cd 6 + 6a 4 c d 6 + 3a 3 bc d 6 + 35a b c d 6 + 3a b 3 c d 6 + 6 b 4 c d 6 +784a 3 c 3 d 6 + 3a bc 3 d 6 + 3a b c 3 d 6 + 784 b 3 c 3 d 6 + 6a c 4 d 6 + 6a bc 4 d 6 + 6 b c 4 d 6 + 36ac 5 d 6 + 36 bc 5 d 6 + 48c 6 d 6 +38a 5 d 7 + 7a 4 bd 7 + 34a 3 b d 7 + 34a b 3 d 7 + 7a b 4 d 7 + 38 b 5 d 7 + 7a 4 cd 7 + 66a 3 bcd 7 + a b cd 7 + 66a b 3 cd 7 + 7 b 4 cd 7 + 34a 3 c d 7 + a bc d 7 + a b c d 7 + 34 b 3 c d 7 + 34a c 3 d 7 + 66a bc 3 d 7 +34 b c 3 d 7 + 7ac 4 d 7 + 7 bc 4 d 7 + 38c 5 d 7 + 7a 4 d 8 + 85a 3 bd 8 +35a b d 8 + 85a b 3 d 8 + 7 b 4 d 8 + 85a 3 cd 8 + 5a bcd 8 + 5a b cd 8 + 85 b 3 cd 8 +35a c d 8 + 5a bc d 8 + 35 b c d 8 + 85ac 3 d 8 + 85 bc 3 d 8 + 7c 4 d 8 +3a 3 d 9 + 3a bd 9 + 3a b d 9 + 3 b 3 d 9 + 3a cd 9 + 55a bcd 9 + 3 b cd 9 + 3ac d 9 + 3 bc d 9 + 3c 3 d 9 + 5a d + 6a bd + 5 b d + 6acd +6 bcd + 5c d + ad + bd +cd + d F[4,4,4,4]= 7376 Дакле укупно 7376 нееквивалентних бојења. 5
6
Ивентар бојења темена коцке са три боје Циклусни индекс F@Z_, Z_, Z3_, Z4_D:=IZ 8 + 9Z 4 +8Z Z3 + 6Z4 M4 FAa+ b+ c, a + b + c, a 3 + b 3 + c 3, a 4 + b 4 + c 4E= 4LM 4IHa + b + cl8 + 9Ha + b + c L4 + 8Ha + b+ clha 3 + b 3 + c 3L + 6Ha 4 + b 4 + c a 8 + a 7 b+ 3a 6 b +3a 5 b 3 + 7a 4 b 4 + 3a 3 b 5 + 3a b 6 + a b 7 + b 8 + a 7 c+ 3a 6 bc+ 7a 5 b c+ 3a 4 b 3 c+ 3a 3 b 4 c+7a b 5 c+ 3a b 6 c+ b 7 c+ 3a 6 c + 7a 5 bc + a 4 b c + 4a 3 b 3 c + a b 4 c + 7a b 5 c + 3 b 6 c + 3a 5 c 3 + 3a 4 bc 3 + 4a 3 b c 3 + 4a b 3 c 3 + 3a b 4 c 3 +3 b 5 c 3 + 7a 4 c 4 + 3a 3 bc 4 + a b c 4 + 3a b 3 c 4 + 7 b 4 c 4 + 3a 3 c 5 +7a bc 5 + 7a b c 5 + 3 b 3 c 5 + 3a c 6 + 3a bc 6 + 3 b c 6 + ac 7 + bc 7 +c 8 F[3,3,3,3]= 333 Дакле укупно 333 нееквивалентних бојења. 7
8
XII Бојење икосоедра 9
Ивентар бојења темена икосоедра са две боје Циклусни индекс F@Z_, Z_, Z3_, Z4_, Z5D:=IZ +5Z 6 + Z3 4 + 4Z Z5 M6 6IHa + bl + 5Ia + b M6 + Ia 3 + b 3M4 + 4Ha + blia 5 + b 5MM= Ивентар бојења a + a b+ 3a b +5a 9 b 3 + a 8 b 4 + 4a 7 b 5 + 4a 6 b 6 + 4a 5 b 7 + a 4 b 8 + 5a 3 b 9 + 3a b + a b + b F[,,,,]= 96 Дакле укупно 96 нееквивалентних бојења. Ивентар бојења темена икосоедра са три боје Циклусни индекс F@Z_, Z_, Z3_, Z4_, Z5D:=IZ +5Z 6 + Z3 4 + 4Z Z5 M6 FAa+ b+ c, a + b + c, a 3 + b 3 + c 3, a 4 + b 4 + c 4, a 5 + b 5 + c 5E= 6IHa + b + cl + 5Ia + b +c M6 + Ia 3 + b 3 + c 3M4 + 4Ha + b+ clia 5 + b 5 + c 5MM= Ивентар бојења a + a b+ 3a b +5a 9 b 3 + a 8 b 4 + 4a 7 b 5 + 4a 6 b 6 + 4a 5 b 7 + a 4 b 8 + 5a 3 b 9 + 3a b + a b + b + a c+ 3a bc+ a 9 b c+ 33a 8 b 3 c+ 66a 7 b 4 c+ 94a 6 b 5 c+ 94a 5 b 6 c+ 66a 4 b 7 c+33a 3 b 8 c+ a b 9 c+ 3a b c+ b c+ 3a c + a 9 bc + 57a 8 b c + 3a 7 b 3 c + 46a 6 b 4 c + 78a 5 b 5 c + 46a 4 b 6 c + 3a 3 b 7 c + 57a b 8 c + a b 9 c + 3 b c + 5a 9 c 3 + 33a 8 bc 3 + 3a 7 b c 3 + 3a 6 b 3 c 3 + 46a 5 b 4 c 3 + 46a 4 b 5 c 3 + 3a 3 b 6 c 3 + 3a b 7 c 3 + 33a b 8 c 3 + 5 b 9 c 3 + a 8 c 4 +66a 7 bc 4 + 46a 6 b c 4 + 46a 5 b 3 c 4 + 6a 4 b 4 c 4 + 46a 3 b 5 c 4 + 46a b 6 c 4 + 66a b 7 c 4 + b 8 c 4 + 4a 7 c 5 + 94a 6 bc 5 + 78a 5 b c 5 + 46a 4 b 3 c 5 + 46a 3 b 4 c 5 + 78a b 5 c 5 + 94a b 6 c 5 + 4 b 7 c 5 + 4a 6 c 6 + 94a 5 bc 6 + 46a 4 b c 6 + 3a 3 b 3 c 6 + 46a b 4 c 6 + 94a b 5 c 6 + 4 b 6 c 6 + 4a 5 c 7 + 66a 4 bc 7 + 3a 3 b c 7 + 3a b 3 c 7 + 66a b 4 c 7 +4 b 5 c 7 + a 4 c 8 + 33a 3 bc 8 + 57a b c 8 + 33a b 3 c 8 + b 4 c 8 + 5a 3 c 9 +a bc 9 + a b c 9 + 5 b 3 c 9 + 3a c + 3a bc + 3 b c + ac + bc +c F[3,3,3,3,3]= 999 Дакле укупно 999 нееквивалентних бојења.
3
4
Ивентар бојења страна икосоедра са две боје Циклусни индекс F@Z_, Z_, Z3_, Z4_, Z5_D:=IZ +5Z + Z Z3 6 + 4Z5 4M6 FAa+ b, a + b, a 3 + b 3, a 4 + b 4, a 5 + b 5E= 6IHa + bl + 5Ia + b M + Ha + blia 3 + b 3M6 + 4Ia 5 + b 5M4M= Ивентар бојења a + a 9 b+ 6a 8 b +a 7 b 3 + 96a 6 b 4 + 6a 5 b 5 + 68a 4 b 6 + 3a 3 b 7 + 57a b 8 + 86a b 9 + 358a b +86a 9 b + 57a 8 b + 3a 7 b 3 + 68a 6 b 4 + 6a 5 b 5 + 96a 4 b 6 +a 3 b 7 + 6a b 8 + a b 9 + b Дакле укупно 999 нееквивалентних бојења. Ивентар бојења страна икосоедра са три боје Циклусни индекс F@Z_, Z_, Z3_, Z4_, Z5_D:=IZ +5Z + Z Z3 6 + 4Z5 4M6 FAa+ b+ c, a + b + c, a 3 + b 3 + c 3, a 4 + b 4 + c 4, a 5 + b 5 + c 5E= 6IHa + bl + 5Ia + b M + Ha + blia 3 + b 3M6 + 4Ia 5 + b 5M4M= Ивентар бојења a + a 9 b+ 6a 8 b +a 7 b 3 + 96a 6 b 4 + 6a 5 b 5 + 68a 4 b 6 + 3a 3 b 7 + 57a b 8 + 86a b 9 + 358a b +86a 9 b + 57a 8 b + 3a 7 b 3 + 68a 6 b 4 + 6a 5 b 5 + 96a 4 b 6 +a 3 b 7 + 6a b 8 + a b 9 + b + a 9 c+ 7a 8 bc+ 57a 7 b c+ 37a 6 b 3 c+ 96a 5 b 4 c+3876a 4 b 5 c+ 954a 3 b 6 c+ 686a b 7 c+ 594a b 8 c+ 386a b 9 c+ 386a 9 b c+594a 8 b c+ 686a 7 b c+ 954a 6 b 3 c+ 3876a 5 b 4 c+ 96a 4 b 5 c+37a 3 b 6 c+ 57a b 7 c+ 7a b 8 c+ b 9 c+ 6a 8 c + 57a 7 bc + 57a 6 b c + 586a 5 b 3 c + 978a 4 b 4 c + 73a 3 b 5 c + 59a b 6 c + 776a b 7 c + 3888a b 8 c + 5397a 9 b 9 c + 3888a 8 b c + 776a 7 b c + 59a 6 b c + 73a 5 b 3 c + 978a 4 b 4 c + 586a 3 b 5 c + 57a b 6 c + 57a b 7 c +6 b 8 c + a 7 c 3 + 37a 6 bc 3 + 586a 5 b c 3 + 93a 4 b 3 c 3 + 454a 3 b 4 c 3 + 758a b 5 c 3 + 3564a b 6 c 3 + 36955a b 7 c 3 + 469a 9 b 8 c 3 + 469a 8 b 9 c 3 + 36955a 7 b c 3 + 3564a 6 b c 3 + 758a 5 b c 3 + 454a 4 b 3 c 3 + 93a 3 b 4 c 3 + 586a b 5 c 3 + 37a b 6 c 3 + b 7 c 3 + 96a 6 c 4 + 96a 5 bc 4 +978a 4 b c 4 + 454a 3 b 3 c 4 + 473a b 4 c 4 + 3576a b 5 c 4 + 64736a b 6 c 4 + 938a 9 b 7 c 4 + 44a 8 b 8 c 4 + 938a 7 b 9 c 4 + 64736a 6 b c 4 + 3576a 5 b c 4 + 473a 4 b c 4 + 5
454a 3 b 3 c 4 + 978a b 4 c 4 + 96a b 5 c 4 +96 b 6 c 4 + 6a 5 c 5 + 3876a 4 bc 5 + 73a 3 b c 5 + 758a b 3 c 5 + 3576a b 4 c 5 + 77598a b 5 c 5 + 933a 9 b 6 c 5 + 6684a 8 b 7 c 5 + 6684a 7 b 8 c 5 + 933a 6 b 9 c 5 + 77598a 5 b c 5 + 3576a 4 b c 5 + 758a 3 b c 5 + 73a b 3 c 5 + 3876a b 4 c 5 + 6 b 5 c 5 + 68a 4 c 6 + 954a 3 bc 6 + 59a b c 6 + 3564a b 3 c 6 + 64736a b 4 c 6 + 933a 9 b 5 c 6 + 948a 8 b 6 c 6 + 73a 7 b 7 c 6 + 948a 6 b 8 c 6 + 933a 5 b 9 c 6 + 64736a 4 b c 6 + 3564a 3 b c 6 + 59a b c 6 + 954a b 3 c 6 + 68 b 4 c 6 + 3a 3 c 7 + 686a bc 7 +776a b c 7 + 36955a b 3 c 7 + 938a 9 b 4 c 7 + 6684a 8 b 5 c 7 + 73a 7 b 6 c 7 + 73a 6 b 7 c 7 + 6684a 5 b 8 c 7 + 938a 4 b 9 c 7 + 36955a 3 b c 7 + 776a b c 7 + 686a b c 7 + 3 b 3 c 7 + 57a c 8 + 594a bc 8 +3888a b c 8 + 469a 9 b 3 c 8 + 44a 8 b 4 c 8 + 6684a 7 b 5 c 8 + 948a 6 b 6 c 8 + 6684a 5 b 7 c 8 + 44a 4 b 8 c 8 + 469a 3 b 9 c 8 + 3888a b c 8 + 594a b c 8 + 57 b c 8 + 86a c 9 + 386a bc 9 + 5397a 9 b c 9 + 469a 8 b 3 c 9 + 938a 7 b 4 c 9 + 933a 6 b 5 c 9 + 933a 5 b 6 c 9 + 938a 4 b 7 c 9 + 469a 3 b 8 c 9 + 5397a b 9 c 9 + 386a b c 9 + 86 b c 9 + 358a c +386a 9 bc + 3888a 8 b c + 36955a 7 b 3 c + 64736a 6 b 4 c + 77598a 5 b 5 c + 64736a 4 b 6 c + 36955a 3 b 7 c + 3888a b 8 c + 386a b 9 c +358 b c + 86a 9 c + 594a 8 bc + 776a 7 b c + 3564a 6 b 3 c +3576a 5 b 4 c + 3576a 4 b 5 c + 3564a 3 b 6 c + 776a b 7 c + 594a b 8 c +86 b 9 c + 57a 8 c + 686a 7 bc + 59a 6 b c + 758a 5 b 3 c +473a 4 b 4 c + 758a 3 b 5 c + 59a b 6 c + 686a b 7 c + 57 b 8 c + 3a 7 c 3 + 954a 6 bc 3 + 73a 5 b c 3 + 454a 4 b 3 c 3 + 454a 3 b 4 c 3 + 73a b 5 c 3 + 954a b 6 c 3 + 3 b 7 c 3 + 68a 6 c 4 + 3876a 5 bc 4 +978a 4 b c 4 + 93a 3 b 3 c 4 + 978a b 4 c 4 + 3876a b 5 c 4 + 68 b 6 c 4 + 6a 5 c 5 +96a 4 bc 5 + 586a 3 b c 5 + 586a b 3 c 5 + 96a b 4 c 5 + 6 b 5 c 5 + 96a 4 c 6 +37a 3 bc 6 + 57a b c 6 + 37a b 3 c 6 + 96 b 4 c 6 + a 3 c 7 + 57a bc 7 +57a b c 7 + b 3 c 7 + 6a c 8 + 7a bc 8 + 6 b c 8 + ac 9 + bc 9 +c F[3,3,3,3,3]= 58355 Дакле укупно 58355 нееквивалентних бојења. 6
7
8
9