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置換の符号とは|互換への分解・転倒数・交代群と行列式への現れ方

つの番号だけを入れかえる置換を互換といいます。どの置換も互換の積に書けるものの、書き方は一通りではない。

それでも必要な互換の個数の偶奇は置換ごとに決まっていて、これを符号と呼びます。偶なら 、奇なら 。

互換への分解

巡回置換は互換の積にほどける。

右から順に掛けていくと、 が へ、 が へと送られていく。長さ の巡回に要る互換は 個です。

どの置換も交わらない巡回の積なので、全体としても互換の積に書ける。

例:巡回置換を互換に分ける

を分けてみます。

互換は 3 個で、長さ 4 の巡回だから に合う。別の分け方もあります。

こちらも 3 個。式の形はまるで違うのに、個数は変わっていない。

分け方は一通りではない

個数そのものが変わる分け方もある。

右の 2 つが打ち消し合うので、どちらも同じ置換。個数は 1 個と 3 個で違いますが、どちらも奇数です。

偶奇だけは動かない。ここを示すのが次の節になります。

転倒数による定義

の行き先を と一列に並べます。 なのに となる組を転倒といい、その個数を転倒数という。

転倒数を と書くと、符号は次のように定まります。

は そのものから決まる量なので、分解の仕方が入りこむ余地がない。

図にすると、上下を結んだ線の交差の本数がそのまま転倒数になる。

例:転倒数を数える

置換転倒数符号
0偶
1奇
1奇
3奇
2偶
2偶

の 6 個を並べると、転倒数と符号の対応が見えます。恒等置換は 、互換は か 、3 次巡回は 。

偶置換が 3 個、奇置換が 3 個で、ちょうど半分に割れる。

互換を掛けると偶奇が変わる

まず隣どうしの互換を考えます。並びの中で隣り合う つを入れかえると、その組だけが転倒になったり転倒でなくなったりする。

ほかの組の大小関係はいっさい変わらないので、転倒数はちょうど だけ増減する。

一般の互換 も、隣どうしの互換だけで作れる。 と のあいだにある番号を 個とすると、 回でできる。

奇数回なので、どの互換を掛けても転倒数の偶奇はかならず変わる。互換を 個掛けて を作れば、 の偶奇は の偶奇に一致します。

分解の仕方によらず の偶奇が決まる理由が、ここにある。

互換の個数で定める

数え方が分かりやすい。ただし分け方によらないことを別に示す必要がある

転倒数で定める

置換そのものから決まる。一意性が最初から付いてくる

積の形の定義

転倒数を使わない書き方もあります。

分子と分母に現れる数は、符号を除けば同じ集まり。だから比は か になり、 の組の個数だけ が掛かる。

つまり転倒数による定義と同じものです。

互換の個数

偶数個で書けるなら偶、奇数個なら奇。分け方によらない。

転倒数

で となる組の個数。その偶奇が符号になる。

巡回の個数

固定点まで数えた巡回の個数を として、 で決まる。

符号は準同型になる

符号は から への準同型です。

を 個、 を 個の互換で書けば、 は 個で書ける。指数の足し算がそのまま積になる、という仕組み。

なら互換が存在するので、この準同型は全射になる。

巡回型から符号を読む

長さ の巡回の符号は です。互換は奇、3 次巡回は偶、4 次巡回は奇、5 次巡回は偶と交互になる。

固定点まで数えた巡回の個数を とすると、符号はまとめて書けます。

長さが偶数の巡回が奇数個あるときだけ奇置換になる、と言いかえてもよい。

並びの中で 転倒 を数えると、符号が置換そのものから決まります。互換の分解を経由しないので、一意性を別に示す手間がいらない。

なのに となる番号の組のこと。

交代群

符号の核が交代群 です。核なので、 の正規部分群になる。

なら符号は全射なので、指数は で位数は 。 のときは奇置換がなく、 になります。

An は 3 次巡回で生成される

なら、 は 3 次巡回だけで作れます。偶置換は互換を偶数個並べた形なので、前から 2 つずつ組にする。

組の中身は 3 通りに分かれる。同じ互換が 2 つ並ぶなら積は恒等置換で、 と書ける。

番号を 1 つ共有するときは、3 次巡回の 2 乗になる。

番号を共有しないときは、3 次巡回 2 つの積。

どの場合も 3 次巡回だけで書けるので、 が 3 次巡回で生成されると言えます。

例:A3 と A4

は 、、 の 3 個です。位数 3 の巡回群で、 と同型になる。

は位数 12。二重互換 3 つと単位元がクラインの四元群 をなし、これが の正規部分群になります。

には位数 6 の部分群がない。位数が約数でも部分群があるとは限らない、という有名な例です。

の中では と が共役になりません。 になると、すべての 3 次巡回が の中で共役になる。

商は位数 2 の群

を で割ると、位数 2 の群になります。

剰余類は と の 2 つで、 はどの奇置換でもよい。奇置換の全体は部分群にならない。

単位元が偶置換なので、そもそも部分群の条件から外れています。

行列式に現れる符号

行列式の定義に、符号がそのまま出てきます。

個の項に符号が付き、足し合わせる形。置換行列 の行列式も になる。

行を 2 つ入れかえると行列式の符号が変わるのは、互換を 1 つ掛けたことに対応します。

で、互換 と 4 次巡回 の積の符号はどちらですか。

  • 偶置換
  • 奇置換
  • 掛ける順番によって変わる
  • 定まらない
__RESULT__

符号は準同型なので、積の符号は符号の積になります。互換が 、長さ 4 の巡回も なので、掛けると で偶置換です。

15 パズルが解けない理由

の盤に から までのタイルと、空きマスが 1 つあります。正しい並びから と だけを入れかえた配置を考える。

この配置には、どうやってもたどり着けません。タイルを 1 枚動かす操作は、そのタイルと空きマスの互換にあたる。

だから 1 手ごとに置換の符号が変わります。同時に、空きマスの行と列の和の偶奇も 1 手ごとに変わる。

2 つの偶奇の組み合わせが動かないので、そこが不変量になります。 と の入れかえは互換 1 つで、符号だけが変わり空きマスは元の位置。

だから届かない。到達できる配置は全体の半分で、 通りです。

Sam Loyd がこの配置に ドルの懸賞を出しましたが、賞金は誰のものにもなりませんでした。不可能であることは、懸賞が出る 10 年以上前に示されている。

よくある誤り

互換の個数が置換ごとに決まる、とは言えません。決まるのは偶奇だけで、個数そのものは分け方で変わります。
長さが偶数の巡回は偶置換、と思うと外します。長さ の巡回の符号は で、長さ 4 の巡回は奇置換です。
奇置換の全体が部分群になる、とは言えません。単位元が入らず、積も奇置換にはなりません。
転倒数と互換の個数を同じ数と思うと外します。一致するのは偶奇だけです。
で が単純だから も単純、とは言えません。 はクラインの四元群を正規部分群に持ちます。
15 パズルはどの配置からでも解ける、とは言えません。到達できるのは半分の 通りだけです。
3 次巡回が の中でいつでも共役、とは言えません。 では と が共役になりません。

参考文献

Keith Conrad, Sign of permutations(コネチカット大学)
Keith Conrad, Simplicity of An(コネチカット大学)
Parity of a permutation - Wikipedia
15 puzzle - Wikipedia
Alternierende Gruppe - Wikipedia(ドイツ語)
Signature d'une permutation - Wikipédia(フランス語)
置換を互換の積に書く方法は一通りではないのに、個数の偶奇だけは決まります。理由は転倒数にあり、互換を 1 つ掛けるたびに転倒数の偶奇がかならず変わるためです。行列式の各項に付く符号もこれで、15 パズルで 14 と 15 だけを入れかえた盤面に届かないのも同じ理由です。