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Burnside の補題と巡回指数:ネックレスと立方体の塗り分けを数える

個のビーズを 色で塗り、回して重なるものを同じとみなします。塗り方は 通り、回転は 通り。 を で割ると割り切れない。

回転で自分自身に戻る塗り方があるためです。その分を勘定に入れる式が、Burnside の補題と呼ばれるものです[3]。

単純に割れない理由

赤白を交互に並べた ビーズは、 個ぶん回すと自分に戻る。この塗り方の軌道は 個ではなく 個。

すべて赤なら軌道は 個です。軌道の大きさがそろわないため、全体を群の位数で割る計算が合いません。

軌道の大きさは、その塗り方を固定する元の個数だけ小さくなる。だから固定するほうを数えれば勘定が合う、という発想になります。

軌道と安定化群

補題の証明で使う関係を先に示しておく。有限群 が集合 に作用し、 をとります。

を安定化群、 を軌道といいます[1]。

写像 、 を見ましょう。全射であることは軌道の定義そのもの。

は と同値になる。だから同じ点へ送られる の全体は、左剰余類 そのものです。

剰余類はどれも 個の元を持ち、たがいに交わりません。軌道の点 つに剰余類が つ対応するため、次が成り立つ[1][4]。

軌道が大きいほど安定化群は小さい。積が で一定なので、片方を数えればもう片方が決まります。

補題

有限群 が有限集合 に作用し、軌道が 個あるとします。 と置くと[1]

が成り立ちます[3]。軌道の個数は、各元が止める点の個数の平均です。

証明は を 2 通りに数えることでできる[1]。

から先に数えると 、 から先に数えると になる。ここで前の節の等式を使います。

両辺を で割ると、右辺は になる。長さ の軌道の中の点は、それぞれ ずつ寄与します。 個あるので合わせて になり、軌道ごとに が立つ。合計は軌道の個数です[1]。

名前について

この式は Burnside のものではありません[3]。

Cauchy が 1845 年に知っていて、Frobenius が 1887 年に定理の形で発表しました[3]。Burnside は 1897 年の教科書に、Frobenius への言及つきで載せています[1]。

ところが 1911 年の第 2 版でその言及が落ちました[3]。1960 年ごろから「Burnside の補題」という呼び名が定着し、いまに至ります。

Cauchy-Frobenius の定理、あるいは冗談まじりに「Burnside のものでない補題」とも呼ばれる[3]。Conrad も、Burnside は自著で Frobenius に帰していると注意しています[1]。

ネックレスを数える

個のビーズを 色で塗り、回転で同一視する。 個ぶん回す置換を と書きます。

ビーズの位置を と見ると、 が生成する巡回群は で、その位数は です。 の巡回は による剰余類にあたるため、個数は次のように決まる。

同じ巡回に入るビーズは、同じ色でなければ固定されない。よって固定される塗り方は 通りです。

約数でまとめ直します。 を の約数とし、 となる を数えましょう。

と書くと で、条件は に読み替わる。この の個数がオイラー関数 です。

、 で計算します。、、、。

通りになる。冒頭の が割り切れなかったぶんを、固定される塗り方が埋めました。

裏返しも許すと

ネックレスをひっくり返してよいことにすると、群が二面体群になります。位数は 。

では鏡映が 本あります。向かい合う頂点を通る軸が 本で、 個を固定し残りを 個ずつ組にするため巡回は 個、固定される塗り方は 通り。

辺の中点を通る軸が 本あり、 組の入れ替えになって 通りです。

回転だけなら 、裏返しも許すと になる。差の は、鏡映で初めて重なる 2 つが 1 つにまとまったぶんです。

立方体の頂点と辺

同じ補題を立方体で使います。まず回転群の位数を、軌道と安定化群の関係から出しましょう。

面を 1 枚とると、その面をそれ自身へ送る回転は、面に垂直な軸まわりの 通りです。面の軌道は 枚の面全体なため、位数は になる[2]。

内訳は 5 種類です[2]。

恒等変換が 1 つ。
面の中心を通る軸まわりの 90 度と 270 度が 6 つ。
同じ軸まわりの 180 度が 3 つ。
対角線まわりの 120 度と 240 度が 8 つ。
向かい合う辺の中点を通る軸まわりの 180 度が 6 つ。

頂点 8 個を 2 色で塗る場合を数えます。恒等変換は 。面まわりの 90 度は頂点を 4 個ずつ 2 組の巡回にするので 。面まわりの 180 度は 2 個ずつ 4 組で 。

対角線まわりは 2 個を固定して 3 個ずつ 2 組なので 。辺まわりは 2 個ずつ 4 組で です。

辺 12 本でも同じ手順です。、、、、 と並び、合計は 。 で割って 通りになる。

巡回指数

数え上げの型を式にまとめます[2]。置換 が長さ の巡回を 個、長さ を 個、と持つとき、 に を対応させる。

群 全体で平均をとったものが巡回指数です[2][4]。

立方体の面への作用では、5 種類がそれぞれ 、、、、 に対応します[2]。

すべての変数に色の数 を入れると、補題の式に戻る。 なら次のようになる。

Pólya の定理

代入する相手を数から多項式に替えると、内訳まで数えられます。定理の形に書きましょう[4][5]。

を塗る場所の集合、 を色の集合とします。色 に重み を与え、塗り方 の重みを積で定めます。

同じ軌道に入る 2 つの塗り方は、同じ重みを持つ。 なら、積の順が変わるだけだからです[4]。よって軌道にも重みが定まる。

主張は、軌道の重みの総和が巡回指数への代入で書けることです[4][5]。

証明は補題の重み付き版です。重みは軌道の上で一定だから、重み を持つ軌道だけを集めた集合に補題を当てられます[4]。

両辺に をかけ、 について足し合わせます。左辺は軌道の重みの総和になり、右辺は です。

内側の和を計算しましょう。 が固定する塗り方は、各巡回の上で色が一定のものに限られます。

長さ の巡回を色 で塗ると、その巡回は場所を 個持つので重みに を出す。巡回ごとの色の選び方は独立で、和が積に分かれます[5]。

右辺は、 に を入れた単項式そのものです。 について平均をとると巡回指数への代入になり、主張が示せました。

をすべて にすると重みが全部 になり、軌道の個数を数える式に戻ります。補題は、この定理で重みを落とした場合にあたる。

色ごとに数える

立方体の面で定理を使います。黒に 、白に を重みとして割り当てると、 に入るのは です。

できあがる多項式の の係数が、黒を 枚使う塗り分けの個数になる。

黒 枚のところを計算しましょう。 からは の の係数で 。 からは になり、 倍して 。 からは の中央の項で 、 倍して 。

と からは が現れません。指数の偶奇が合わないためです。

黒 枚の塗り分けは 通り。1 つの頂点に集まる 3 枚を黒くする形と、帯のように 3 枚を並べる形です。

補題だけを使う

軌道の個数がひとつの数として求まる

巡回指数を使う

色の使い方ごとの内訳が、多項式の係数として並ぶ

合同式が副産物になる

補題からは整数の合同式も手に入ります[1]。

ネックレスの個数は整数だから、 も整数になる。分母を払うと次の形になる。

これが任意の整数 と正整数 で成り立ちます[1]。

が素数 のときを見ましょう。 は でだけ 、ほかは です。

は で割り切れるため 。Fermat の小定理でした[1]。

ビーズの並べ方を数えただけで、数論の定理まで届きます。軌道の個数が整数だという当たり前の事実が効いている。

個のビーズを 色で塗り、回転で同一視すると何通りありますか。

  • で割り切れないので数えられない
  • 通り
  • 通り
__RESULT__

個ぶん回す置換の巡回の個数は です。 でそれぞれ なので、固定される塗り方は 通り。合計 を で割って 通りになります。単純に を で割らないのは、回転で自分に戻る塗り方があるためです。

巡回指数 に を代入すると、 の係数は何を数えていますか。

  • 黒 3 枚の塗り方の総数
  • 黒 3 枚の塗り分けを、回転で同一視して数えた個数
  • 黒 3 枚と白 3 枚の塗り分けの個数の和
__RESULT__

Pólya の定理は軌道の重みの総和を与えます。重みを と でとると、重み の軌道の個数がその係数です。回転で移り合う塗り方は 1 つに数えられています。

軌道の個数そのものを数えるかわりに、各元が止める点を数える。補題はその 2 つを等式で結んでいます。

巡回指数まで進めると、変数を残したまま同じ計算が通ります。数のかわりに多項式を代入するだけで、内訳が係数として並ぶ。

出典

Keith Conrad, *Group Actions*, University of Connecticut(軌道・安定化群の公式、定理 3.29、Fermat の小定理)
Mollee Huisinga, *Pólya's Counting Theory*, Whitman College, 2012(定理 2・3、立方体の頂点と面)
*Burnside Lemma*, Encyclopedia of Mathematics(名前の由来と 1911 年の第 2 版)
Alec Zhang, *Polya's Enumeration*, University of Chicago REU 2017(定理 3.1・3.2・4.8・4.9)
*Pólyasche Abzähltheorie und Anwendungen*, Diplomarbeit, TU Wien(Lemma 2.7、Satz 2.9)
$6$ 個のビーズを $2$ 色で塗って回転で同一視すると、$64$ 通りを $6$ で割っても答えになりません。回転で自分に戻る塗り方があるためです。軌道と安定化群の関係を示してから、各元が止める点の平均が軌道の個数になることを二重の数え上げで証明する。$k$ 個ぶん回す置換の巡回が $\gcd(k,n)$ 個になる理由、オイラー関数によるネックレスの公式、立方体の頂点 $23$ 通りと辺 $218$ 通り。巡回指数への代入が内訳を与える Pólya の定理は、重み付きの補題から導きます。Fermat の小定理が副産物として手に入るところまで。