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置換群の類等式

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置換群Snというのは、{1,,n}の自己同型写像全体の集合である。
これの共役類は、置換が持つサイクルの構造によって決まるのだが、式が複雑なので総和をとったらきちんとn!に戻ってくれるのか不安になってしまう。
この記事ではちゃんとn!になっていることを証明する。

注意点

このの方法ではうまくいかない。

a1++am=nとして、mをサイクルの個数,akk番目の巡回置換の長さとする。

何故かというと、ai=aj(ij)となるようなものがあった場合、同じ長さの巡回置換があることによる対称性を考慮しなくてはいけない。よって共役類の数を単純なa1,,amによる関数で書き下すことが出来ないからである。
じゃあどうすればいいのか、以下の証明が答えである。

証明

ak(1kn)を、「長さkの巡回置換をいくつ持っているか」という数とする。ここで、
n=k=1nkak
が成立していて、ak0である。

このような構造を持った共役類にいくつの元が入っているかを考える。
まず、n個の元をそれぞれのサイクルに割り当てる組み合わせを考えると
n!1!a1n!an
となっている。さらに、同じ長さのサイクルは区別しないため
1a1!an!
で割る。
さらに、サイクルの中で円順列を考えているため
0!a1(n1)!an
を掛ける。
すると結局、長さkのサイクルをak個もっているような置換の個数は
n!1a1nana1!an!
となる。よって示すべきは以下の等式である。
a1++nan=nn!1a1nana1!an!=n!
両辺をn!で割ることで、これは以下の式と同値である。
a1++nan=n11a1nana1!an!=1
ここで、この数列の母関数を考えてみる。つまり、
m=0a1++nan=m11a1nana1!an!xm
という形で書ける級数である。これはいかのように書ける
=m=0a1++nan=m11a1nana1!an!xa1++nan
=a1=0an=011a1nana1!an!xa1++nan
これをテイラー展開したときのxmの項の係数を求めれば良い。
ここで、この関数は積の形になっているので以下のように因数分解することが出来る。
=(a1=011a1a1!xa1)(an=01na1an!xnan)
これはよく吟味してみるとexpのテイラー展開の形で書けることがわかるため、以下のようになる。
=exp(x1)exp(xnn)
=exp(1+x22++xnn)
これをテイラー展開したときのxnの項の係数を考えれば良い。
そしてこれは、以下の関数で考えても問題ないことがわかる。
exp(1+x22++xnn+xn+1n+1+)
何故かというと、exp(xmm)(mn+1)を掛けたところで、関数のテイラー展開のn項目までは同じだからである。つまり、exp(xmm)を掛けても関数のxnの項の係数は変わらないのである。

ここで、
x+x22+x33+=log(1x)
となっている。よって、
exp(x+x22++xnn+xn+1n+1+)
=exp(log(1x))
=11x=1+x+x2+
となっている。
よって各項のテイラー展開の係数は1となるため、示すべき等式が示された。

投稿日:20201112
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shakayami
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