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回して重なるものは 1 つと数える……割り算が効く条件

円順列で で割り、じゅず順列でさらに 2 で割り、組分けで で割る。立方体の塗り分けでは 24 で割ります。

どれも同じ操作です。「動かして重なるものを 1 つと数える」ために、重なる回数で割っている。ただし、いつでも割れるわけではない。

割り算が成り立つ仕組み

区別できる並べ方の総数を とします。ある動かし方の集まりがあり、その個数を とする。

どの並べ方も、 通りの動かし方によって 個の別々の並べ方に移るとします。すると 個は 個ずつの組に分かれる。

組の個数が答えです。

大事なのは「どの並べ方も 個ずつの組をつくる」という前提です。ここが崩れると割れません。

例:円順列

異なる 4 人の一列の並べ方は 通り。円卓に座らせると、先頭をずらしただけの 4 通りが同じ座り方になります。

どの座り方も、ちょうど 4 通りの直線の並びから来る。だから 通り、つまり です[4]

異なるものだけなら、回してぴったり元に戻ることはありません。だから重なる回数が必ず でそろいます。

例:じゅず順列

円順列に、裏返す操作を加えます。動かし方が回転 通りと、裏返してからの回転 通りで、合わせて 通り。

異なる 個で なら、 で割って になります。

例:組分けの割り算

6 人を 3 人ずつ 2 組に分ける問題では、組に名前が付いていれば 20 通りでした。

名前を消すと、2 つの組を入れ替えた 2 通りが同じ分け方になる。どの分け方も 2 通りずつなので 通り。

2 人ずつ 3 組なら、入れ替えは 通り。 通りです。名前を消す操作も、回転と同じ「動かして重なる」の一種になります。

回転で重なる

円順列、じゅず順列、立体の塗り分け。ものを動かして同じ見た目になる

名前を消して重なる

組分け、箱の区別をなくす場合。ラベルを入れ替えて同じ中身になる

例:立方体の 6 面を 6 色で塗る

6 面に 6 色を 1 色ずつ塗ります。面に番号が付いていれば 通り。

立方体は回して置き直せます。回転のしかたは全部で 24 通り。

30 通りです。6 色すべてが違うので、どの塗り方も回転で必ず別の見た目になり、24 通りずつの組ができます。

24 の内訳は次のとおりです[1]

回転個数
なしそのまま1
面の中心90 度と 270 度6
面の中心180 度3
向かい合う頂点120 度と 240 度8
向かい合う辺の中点180 度6

例:正四面体の 4 面を 4 色で塗る

面に番号があれば 通り。正四面体の回転は 12 通りです。

通り。鏡に映すと重ならない 2 種類があり、右手系と左手系にあたります。

割れなくなる場合

同じ色を 2 面以上に使うと、話が変わります。回しても見た目が変わらない塗り方が現れるためです。

立方体を 2 色で塗る場合を見ます。面に番号があれば 通り。

ほどで整数になりません。全 6 面を同じ色にした塗り方は、どう回しても自分に戻る。組の大きさが 1 になっています。

整数になるかで判定する

割り算が使えるかどうかは、答えが整数になるかで見分けられます。個数は必ず整数だから。

は整数なので、6 色すべて異なる塗り方では割れます。 は整数でないので割れない。

ただし、整数になっても割れるとは限りません。組の大きさがばらついていて、たまたま割り切れることもある。

確実なのは、「動かして自分に戻る配置があるか」を見ることです。1 つでもあれば割り算は使えません。

整数かどうかは、割れないことの判定には使えますが、割れることの証明にはなりません。

整数でなければ確実に割れない。整数であっても、自分に戻る配置がないかを別に確かめる必要がある。

例:立方体を 2 色で塗る

割り算が使えないので、別の方法が要ります。回転ごとに「変わらない塗り方」を数えて平均をとる、という定理があります[1]

そのまま置く場合は 通りすべてが変わりません。面の中心軸まわりの 90 度回転では、側面 4 面が同じ色になる必要があり 通り。

同じように数えて平均をとると 10 通りになります。バーンサイドの補題と呼ばれる定理です[2]

3 色なら 57 通り[1]。高校の範囲ではこの定理を使いませんが、割り算が崩れる理由はここから見えます。

高校での進め方

割り算が使えるのは、動かす対象がすべて異なるときです。この場合だけ式で押し切る。

同じものが混ざるときは、数を小さくした問題として書き出します。実際、高校の出題では書き出せる大きさに作られている。

動かす対象がすべて異なるか確かめる

異なれば、総数を動かし方の個数で割る

同じものが混ざれば、固定して書き出す

例:正三角柱の側面を塗る

正三角柱の側面 3 面を、3 色すべて使って塗ります。上下の面は塗らないとする。

面に番号があれば 通り。三角柱を軸まわりに回すと 3 通りの向きがあります。

通り。3 色すべて違うので割り算が使えます。

ここで上下をひっくり返す操作も許すなら、動かし方が 6 通りになり 通り。どの操作を「同じ」と認めるかで答えが変わります。

何を同じと見るかを先に決める

問題を読むときは、許される動かし方を最初に書き出します。

円順列なら回転だけ。じゅず順列なら回転と裏返し。立体なら回転だけで、鏡に映す操作は含めないのがふつうです。

場面同じと見る操作個数
円順列回転n
じゅず順列回転と裏返し2n
立方体回転24
正四面体回転12

操作の個数を書き出さずに計算を始めると、割る数を間違えます。まず一覧を作る。

検算のしかた

答えが出たら、小さい場合で確かめます。異なる 3 個の円順列は 通りで、書き出すと ABC と ACB の 2 つ。

じゅず順列なら 通り。裏返すと ABC と ACB が重なるので、確かに 1 つです。

正四面体の 2 通りも、模型があれば手で確かめられます。式だけで信じない。

立方体の 6 面を、6 色すべてを使って 1 面ずつ塗ります。回して同じになるものを同じとみなすと何通りですか。

  • 720 通り
  • 30 通り
  • 120 通り
__RESULT__

面に番号があれば 通り。立方体の回転は 24 通りで、6 色すべて違うのでどの塗り方も 24 通りずつの組をつくります。 通りです。

よくある誤り

同じものが混ざるのに割り算を使う。自分に戻る配置があると割れません
割る数を確かめずに計算する。許される操作の個数を先に書き出します
じゅず順列で回転のぶんしか割らない。裏返しのぶんも含めて で割ります
立体の塗り分けで鏡に映す操作まで含める。ふつうは回転だけです
整数になったから割れると判断する。整数は割れないことの判定にしか使えません
組分けの割り算を別物と考える。ラベルを消す操作も同じ仕組みです
検算をしない。小さい場合に落として書き出せば、割る数の誤りが見つかります

割る前に 2 つ確かめる。動かす対象がすべて異なるか、そして動かし方が何通りあるか。この 2 点がそろえば、あとは 1 回の割り算で終わります。

参考文献

[1] が回転で重なるものを数える定理と立方体の例、[2] が同じ定理の別の言語での解説、[3] が輪に並べる場合の一般論、[4] が円順列の公式、[5] が順列の基本です。

Burnside's lemma - Wikipedia
Lemme de Burnside - Wikipédia
Necklace (combinatorics) - Wikipedia)
圆排列 - 维基百科
Permutation - Wikipedia
円順列で n で割り、じゅず順列でさらに 2 で割り、組分けで階乗で割る。立方体の塗り分けでは 24 で割ります。どれも動かして重なるものを 1 つと数える同じ操作です。成り立つのは、どの配置も同じ回数だけ重なるとき。同じ色が混ざって自分に戻る配置が現れると崩れます。立方体と正四面体と正三角柱で操作の個数を数え、割れる場合と割れない場合を分けました。整数かどうかで何が判定できるかも示す。