maths.free › Combinatorics & Graph Theory › Pólya's Enumeration Theorem › Burnside's Lemma

Burnside's Lemma

Burnside's lemmaAgain, not originally proved by Burnside. It was known to Frobenius and for the most part by Cauchy. However, it was most easily found in Burnside's book, and thus his name came to be attached. relates the number of equivalence classes of the action of a group on a finite set to the number of elements of the set fixed by the elements of the group. Before stating and proving it, we need some notation and a proposition. If a group \(G\) acts on a finite set \(\cgC\), let \(\sim\) be the equivalence relation induced by this action. (As before, the action of \(\pi\in G\) on \(\cgC\) will be denoted \(\pi^*\).) Denote the equivalence class containing \(C\in \cgC\) by \(\langle C\rangle\)\(\langle C\rangle\)equivalence class of \(C\). For \(\pi\in G\), let \(\fix_\cgC(\pi)=\{C\in \cgC\colon \pi^*(C) = C\}\), the set of colorings fixed by \(\pi\). For \(C\in\cgC\), let \(\stab_G(C)=\{\pi\in G\colon \pi(C) = C\}\) be the stabilizer\(\stab_G(C)\)stabilizer of \(C\) under action of \(G\) of \(C\) in \(G\), the permutations in \(G\) that fix \(C\).

To illustrate these concepts before applying them, refer back to . Using that information, we can determine that \(\fix_\cgC(r_2) = \{C_1,C_{10},C_{11},C_{16}\}\). Determining the stabilizer of a coloring requires finding the rows of the table in which it appears. Thus, \(\stab_{D_8}(C_7) = \{\iota,h\}\) and \(\stab_{D_8}(C_{11}) = \{\iota,r_2,p,n\}\).

Proposition

Let a group \(G\) act on a finite set \(\cgC\). Then for all \(C\in \cgC\), \[\begin{aligned}\end{aligned}\]

Proof

Let \(\stab_G(C) = \{\pi_1,\dots,\pi_k\}\) and \(T(C,C') = \{\pi\in G\colon \pi^*(C) = C'\}\). (Note that \(T(C,C) = \stab_G(C)\).) Take \(\pi\in T(C,C')\). Then \(\pi\circ \pi_i\in T(C,C')\) for \(1\leq i\leq k\). Furthermore, if \(\pi\circ \pi_i = \pi\circ \pi_j\), then \(\pi^{-1}\circ\pi\circ \pi_i=\pi^{-1}\circ\pi\circ \pi_j\). Thus \(\pi_i=\pi_j\) and \(i=j\). If \(\pi'\in T(C,C')\), then \(\pi\inv\circ \pi'\in T(C,C)\). Thus, \(\pi\inv\circ\pi' = \pi_i\) for some \(i\), and hence \(\pi' = \pi\circ \pi_i\). Therefore \(T(C,C') = \{\pi\circ\pi_1,\dots,\pi\circ\pi_k\}\). Additionally, we observe that \(T(C',C) = \{\pi\inv\colon \pi\in T(C,C')\}\). Now for all \(C'\in\langle C\rangle\), \[\begin{aligned}\end{aligned}\] Therefore, \[\begin{aligned}\end{aligned}\] Now notice that each element of \(G\) appears in \(T(C,C')\) for precisely one \(C'\in\langle C\rangle\), and the proposition follows.

With established, we are now prepared for Burnside's lemma.

Before we proceed to the proof, note that the calculation in Burnside's lemma for the example of \(2\)-coloring the vertices of a square is exactly the calculation we performed at the end of .

Condensed: the full section is in Keller & Trotter, Applied Combinatorics.

Now you Không máy tính nào có thể tính toán được nó, nhưng các mảnh của nó có thể tính toán được. Thử một trong những cách dưới đây, hoặc gõ theo ý bạn.

Để cho anh làm việc

Một tài khoản miễn phí thêm ghi chú vào mỗi bài học, ghi chép những gì bạn đã hoàn thành, các bài toán bạn giải quyết ở một nơi, và một giáo viên bạn có thể hỏi về trang này. Toán học là mở cho mọi người, dù có đăng nhập hay không.

Đăng ký Đăng nhập

Ký hiệu được dùng ở đây

Nhấn vào bất kỳ ký hiệu nào để xem định nghĩa đầy đủ, một bức ảnh, và ý nghĩa của từng chữ cái trong nó.

Câu hỏi người ta hỏi

Permutation or combination?

Ask whether order matters. A lock code is a permutation (order matters); a hand of cards is a combination (it does not).

What is a graph in this sense?

Dots (vertices) joined by lines (edges), not a plot. Road maps, social networks and molecules are graphs; questions like "is there a route" and "how few colours" are graph theory.

Một số phần của trang này được chuyển từ Keller & Trotter, Applied Combinatorics (CC BY-SA 4.0). Được nén lại và giải thích lại ở đây; lỗi là của chúng tôi.

More in Combinatorics & Graph Theory

The counting principles Pigeonhole principle and inclusion, exclusion Binomial coefficients and Pascal's triangle Recurrences and generating functions Graphs: vertices, edges, degrees Paths, cycles, trees, Euler and Hamilton Colouring and planar graphs