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Burnside 引理

Burnside 引理(也称 Cauchy-Frobenius 引理)是群作用应用于组合计数的最经典工具——通过计算每个群元素的不动点数来求轨道个数。

定理陈述​

Burnside 引理:设有限群 GG 作用于有限集合 XX。则轨道的个数 NN 为: N=1∣G∣∑g∈G∣Xg∣N = \frac{1}{|G|} \sum_{g \in G} |X^g| 其中 Xg={x∈X∣g⋅x=x}X^g = \{x \in X \mid g \cdot x = x\} 是 gg 的不动点集。

直观理解​

轨道的个数 = 群元素的"平均不动点数"。每个群元素的不动点贡献 1/∣G∣1/|G|,加起来就是轨道数。

证明(双重计数)​

考虑集合 S={(g,x)∈G×X∣g⋅x=x}S = \{(g, x) \in G \times X \mid g \cdot x = x\}。

方法一:按 gg 计数 ∣S∣=∑g∈G∣Xg∣|S| = \sum_{g \in G} |X^g|

方法二:按 xx 计数 ∣S∣=∑x∈X∣Gx∣|S| = \sum_{x \in X} |G_x|

由轨道-稳定子定理,对每个轨道 O\mathcal{O}: ∑x∈O∣Gx∣=∣O∣⋅∣Gx0∣=∣G∣\sum_{x \in \mathcal{O}} |G_x| = |\mathcal{O}| \cdot |G_{x_0}| = |G|

因此 ∑x∈X∣Gx∣=N⋅∣G∣\sum_{x \in X} |G_x| = N \cdot |G|。

两式联立: ∑g∈G∣Xg∣=N⋅∣G∣⟹N=1∣G∣∑g∈G∣Xg∣\sum_{g \in G} |X^g| = N \cdot |G| \quad\Longrightarrow\quad N = \frac{1}{|G|} \sum_{g \in G} |X^g|

应用实例:项链计数​

问题​

用 nn 种颜色的珠子串成长度为 kk 的项链,考虑旋转等价(即可旋转重合的视为同一条),不同项链有多少种?

建模​

  • 集合 XX:所有染色方案,共 nkn^k 种
  • 群 G=ZkG = \mathbb{Z}_k(旋转群),作用于项链使其旋转
  • 目标:求轨道数 NN

计算​

对于旋转 rdr^d(d=0,1,…,k−1d = 0, 1, \ldots, k-1),一个染色方案被 rdr^d 固定当且仅当珠子的颜色以周期 gcd⁡(d,k)\gcd(d, k) 循环。因此:

∣Xrd∣=ngcd⁡(d,k)|X^{r^d}| = n^{\gcd(d, k)}

由 Burnside 引理:

N=1k∑d=0k−1ngcd⁡(d,k)N = \frac{1}{k} \sum_{d=0}^{k-1} n^{\gcd(d, k)}

例子:k=4, n=2​

N=14(2gcd⁡(0,4)+2gcd⁡(1,4)+2gcd⁡(2,4)+2gcd⁡(3,4))=14(16+2+4+2)=6N = \dfrac{1}{4}\left(2^{\gcd(0,4)} + 2^{\gcd(1,4)} + 2^{\gcd(2,4)} + 2^{\gcd(3,4)}\right) = \dfrac{1}{4}(16 + 2 + 4 + 2) = 6

即 2 色 4 珠旋转等价项链共 6 种。

推广:若同时考虑翻转等价(即二面体群 D2kD_{2k} 作用),可以用同样的 Burnside 方法计算,只需额外计算反射的不动点数。