Grupy. Permutacje 1. (G2) istnieje element jednostkowy (lub neutralny), tzn. taki element e G, że dla dowolnego a G zachodzi.

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Grupy. Permutacje 1. (G2) istnieje element jednostkowy (lub neutralny), tzn. taki element e G, że dla dowolnego a G zachodzi."

Daniel Jasiński
10 lat temu
Przeglądów:

1 Grupy. Permutacje 1 1 Definicja grupy Niech G będzie zbiorem. Działaniem na zbiorze G nazywamy odwzorowanie (oznaczane, jak mnożenie, przez ) przyporządkowujące każdej parze uporządkowanej (a, b) G G element a b zbioru G. Definicja. Zbiór G wraz z działaniem nazywamy grupą, jeśli są spełnione następujące własności: (G1) działanie jest łączne, tzn. dla dowolnych elementów a, b, c G zachodzi (a b) c = a (b c); (G2) istnieje element jednostkowy (lub neutralny), tzn. taki element e G, że dla dowolnego a G zachodzi a e = e a = a; (G3) dla każdego elementu a G istnieje element odwrotny, tzn. taki element a 1 G, że zachodzi a a 1 = a 1 a = e. Grupę zwykle zapisujemy w postaci (G, ). Niekiedy zamiast a b piszemy po prostu ab, itp. Fakt 1. Niech (G, ) będzie grupą. Dla dowolnych a, b G zachodzi Dla k N i a G oznaczmy i Ponadto, a 0 := e. (a b) 1 = b 1 a 1. a k := } a.{{.. a}, k czynników a k := a} 1.{{.. a 1 }. k czynników Warto zauważyć, że w definicji grupy nie żąda się, by działanie było przemienne, tzn. by a b = b a dla dowolnych a, b G. Gdy dla pewnych elementów a, b grupy (G, ) zachodzi a b = b a, to mówimy, że elementy te komutują.

Zbiór G wraz z działaniem nazywamy grupą, jeśli są spełnione następujące własności: (G1) działanie jest łączne, tzn.

2 2 Skompilował Janusz Mierczyński Fakt 2. Jeśli a i b komutują, to (a b) k = a k b k = b k a k dla dowolnego k Z. Definicja. Grupę (G, ) nazywamy grupą przemienną (lub abelową), gdy dla dowolnych a, b G zachodzi a b = b a. Inaczej mówiąc, grupa abelowa to taka grupa, że dowolne dwa jej elementy komutują. Definicja. Rzędem grupy (G, ) nazywamy liczbę elementów zbioru G. Rząd grupy oznaczamy przez G. Przykład 1. (R, +), gdzie R jest zbiorem liczb rzeczywistych, a + jest działaniem dodawania, jest grupą: elementem neutralnym jest zero, elementem odwrotnym do a R jest a. Jest to grupa abelowa. Przykład 2. (R \ {0}, ), gdzie jest działaniem mnożenia, jest grupą: elementem neutralnym jest 1, elementem odwrotnym do a R jest 1/a. Jest to grupa abelowa. Przykład 3. (R, ), gdzie jest działaniem mnożenia, nie jest grupą: nie ma elementu odwrotnego do zera. Przykład 4. Niech n będzie liczbą naturalną. Oznaczmy przez GL(n, R) zbiór wszystkich kwadratowych macierzy nieosobliwych stopnia n o elementach rzeczywistych. (GL(n, R), ), gdzie jest działaniem mnożenia macierzy, jest grupą: elementem neutralnym jest macierz jednostkowa, elementem odwrotnym do macierzy A jest macierz odwrotna A 1. Dla n 2 jest to grupa nieabelowa. 2 Grupy permutacji 2.1 Podstawowe własności Będziemy rozpatrywali X, zbiór n-elementowy, utożsamiany ze zbiorem liczb naturalnych od 1 do n, czyli X = {1,..., n}. Definicja. Permutacją zbioru n-elementowego {1,..., n} nazywamy odwzorowanie π : {1,..., n} {1,..., n} takie, że dla dowolnych dwóch liczb i, j {1,..., n}, i j, zachodzi π(i) π(j). Inaczej mówiąc, permutacja to różnowartościowe odwzorowanie zbioru {1,..., n} w siebie.

Rzędem grupy (G, ) nazywamy liczbę elementów zbioru G. Rząd grupy oznaczamy przez G. Przykład 1.

3 Grupy. Permutacje 3 Permutację π : {1,..., n} {1,..., n} zapisujemy jako n. π(1) π(2)... π(n) Definicja. Permutację n n zbioru n-elementowego nazywamy permutacją identycznościową (lub tożsamościową), i oznaczamy przez I. Definicja. Złożeniem lub iloczynem dwóch permutacji π, ϱ zbioru n-elementowego nazywamy permutację π ϱ zdefiniowaną jako (π ϱ)(i) := π(ϱ(i)) dla wszystkich i {1,..., n}. W przypadku składania permutacji ważna jest kolejność czynników. Na przykład, niech π =, ϱ = Wówczas π ϱ = 1 2 3, ale ϱ π = Ponieważ X jest zbiorem skończonym, każda permutacja π zbioru X, będąc odwzorowaniem różnowartościowym, jest też odwzorowaniem na zbiór X. Wobec tego, poniższa definicja ma sens: Definicja. Permutacją odwrotną do permutacji π zbioru n-elementowego nazywamy permutację π 1 zdefiniowaną jako ( π 1 (i) = j ) ( π(j) = i ). Fakt 3. Dla permutacji π, ϱ, σ zbioru n-elementowego zachodzą następujące równości: (i) (ii) (ii) (π ϱ) σ = π (ϱ σ), π I = I π = π, π π 1 = π 1 π = I.

Złożeniem lub iloczynem dwóch permutacji π, ϱ zbioru n-elementowego nazywamy permutację π ϱ zdefiniowaną jako (π ϱ)(i) := π(ϱ(i)) dla wszystkich i {1,..., n}.

4 4 Skompilował Janusz Mierczyński Z powyższego faktu wynika, że zbiór wszystkich permutacji zbioru n-elementowego wraz z działaniem składania permutacji tworzy grupę. Grupę tę nazywamy grupą symetryczną (lub grupą permutacji) stopnia n, i oznaczamy przez (S n, ) (lub przez S n ). Przypominam, że dla π S n i k N oznaczamy oraz Ponadto, π 0 = I. π k = π π π k = π 1 π 1 (k czynników), (k czynników). Przypominam też, że dla dowolnych π, ρ S n zachodzi (π ϱ) 1 = ϱ 1 π 1. Fakt 4. Rząd grupy (S n, ) wynosi n!. Zauważmy, że S 1 = {I}, S 2 = {I, (1 2)}. Są to grupy abelowe. Natomiast wszystkie grupy S n dla n 3 są nieabelowe. 2.2 Cykle Definicja. Niech i 1, i 2,..., i r będą parami różnymi elementami zbioru {1,..., n}. Oznaczmy przez (i 1 i 2... i r ) permutację π S n taką, że π(i 1 ) = i 2, π(i 2 ) = i 3,..., π(i r 1 ) = i r, π(i r ) = i 1, oraz π(i) = i dla i {1,..., n} \ {i 1,..., i r }. Permutację (i 1 i 2... i r ) nazywamy cyklem długości r. Przykład. Permutacja jest cyklem. Zauważmy, że można go zapisać na cztery sposoby: ( ), lub ( ), lub ( ), lub ( ). Definicja. Cykle (i 1 i 2... i r ), (j 1 j 2... j s ) S n są rozłączne, jeśli nie mają wspólnego elementu. Łatwo zauważyć, że dla rozłącznych cykli (i 1 i 2... i r ), (j 1 j 2... j s ) S n zachodzi (i 1 i 2... i r ) (j 1 j 2... j s ) = (j 1 j 2... j s ) (i 1 i 2... i r ) (inaczej mówiąc, cykle rozłączne komutują).

π k = π π π k = π 1 π 1 (k czynników), (k czynników). Przypominam też, że dla dowolnych π, ρ S n zachodzi (π ϱ) 1 = ϱ 1 π 1. Fakt 4. Rząd grupy (S n, ) wynosi n!

5 Grupy. Permutacje 5 Twierdzenie 1 (Rozkład permutacji na cykle rozłączne). Każdą permutację można przedstawić w postaci złożenia parami rozłącznych cykli. Przykład. Pokażemy teraz, w jaki sposób możemy otrzymać rozkład permutacji na cykle rozłączne jak w powyższym twierdzeniu. Niech S Wybieramy jakiś element ze zbioru X, powiedzmy 1, i rozpatrujemy π(1), π 2 (1), π 3 (1), itd. W naszym przykładzie, π(1) = 3, π 2 (1) = π(3) = 8, π 3 (1) = π(8) = 4, π 4 (1) = π(4) = 1. Zatem jednym z cykli będzie ( ). Bierzemy teraz pewien element ze zbioru {1,..., 8}\{1, 3, 4, 8}, powiedzmy 2. Ponieważ π(2) = 2, drugim cyklem będzie (2). Dalej, bierzemy jakiś element ze zbioru {1,..., 8} \ {1, 2, 3, 4, 8}, powiedzmy 5. Ponieważ π(5) = 5, trzecim cyklem będzie (5). Weźmy teraz π(6) = 7 i π 2 (6) = π(7) = 6. Czwartym cyklem będzie (6 7). Ponieważ wyczerpaliśmy już wszystkie elementy zbioru {1,..., 8}, rozkład permutacji na cykle ma postać = ( ) (2) (5) (6 7) Często cykli długości jeden nie zapisuje się; na przykład, powyższą równość zapisuje się jako = ( ) (6 7) Permutację tożsamościową niekiedy zapisujemy jako (1). Rozkład permutacji na cykle rozłączne, o którym jest mowa w Twierdzeniu 1, jest jednoznaczny w tym sensie, że czynniki (czyli parami rozłączne cykle) są zawsze takie same, tylko ich kolejność może się zmieniać. 2.3 Transpozycje. Permutacje parzyste i nieparzyste Definicja. Transpozycją nazywamy cykl długości 2. Twierdzenie 2 (Rozkład cyklu na transpozycje). Każdy cykl długości r jest złożeniem r 1 transpozycji (niekoniecznie rozłącznych). Na przykład, (i 1 i 2... i r ) = (i 1 i 2 ) (i 2 i 3 ) (i r 1 i r ).

$Zatem jednym z cykli będzie (1 3 8 4). Bierzemy teraz pewien element ze zbioru {1,..., 8}\{1, 3, 4, 8}, powiedzmy 2. Ponieważ π(2) = 2, drugim cyklem będzie (2).$

6 6 Skompilował Janusz Mierczyński W odróżnieniu od rozkładu permutacji na cykle rozłączne, rozkład cyklu na transpozycje nie jest jednoznaczny. Na przykład, (1 2 3) = (1 2) (2 3) = (2 3) (1 3). Ponadto, cykle nierozłączne nie muszą komutować. Wnioskiem z Twierdzenia 1 i Twierdzenia 2 jest następujący fakt. Fakt 5. Każda permutacja jest złożeniem transpozycji. Rozkład permutacji na transpozycje, o którym mowa w powyższym fakcie, nie jest jednoznaczny. Jednak dla ustalonej permutacji liczba transpozycji w rozkładzie jest albo parzysta, albo nieparzysta. Definicja. Permutację π S n nazywamy parzystą, gdy jest permutacją identycznościową lub gdy można ją przedstawić jako złożenie parzystej liczby transpozycji. Definicja. Permutację π S n nazywamy nieparzystą, gdy można ją przedstawić jako złożenie nieparzystej liczby transpozycji. (i) Złożenie dwóch permutacji parzystych jest permutacją parzy- Fakt 6. stą. (ii) Złożenie dwóch permutacji nieparzystych jest permutacją parzystą. (i) Złożenie permutacji parzystej i nieparzystej jest permutacją nieparzystą. Permutacja tożsamościowa jest permutacją parzystą. Z powyższego faktu łatwo można wywnioskować, że permutacja odwrotna do permutacji parzystej [nieparzystej] jest permutacją parzystą [nieparzystą]. Zatem zbiór wszystkich permutacji parzystych zbioru n-elementowego wraz z działaniem składania permutacji tworzy grupę, zwaną grupą alternującą stopnia n, i oznaczaną przez (A n, ) (lub przez A n ). Jej rząd wynosi 1 n! (dla 2 n 2). 2.4 Inwersje Definicja. Dla permutacji π S n, parę (π(i), π(j)) nazywamy inwersją, gdy i < j oraz π(i) > π(j). Twierdzenie 3. Permutacja π S n parzystą [nieparzystą] liczbę inwersji. jest parzysta [nieparzysta], gdy ma Przykład. Rozpatrzmy znów permutację S

Rozkład permutacji na transpozycje, o którym mowa w powyższym fakcie, nie jest jednoznaczny. Jednak dla ustalonej permutacji liczba transpozycji w rozkładzie jest albo parzysta, albo nieparzysta.

7 Grupy. Permutacje 7 Wypisujemy jej inwersje: (π(1), π(2)), (π(1), π(4)), (π(2), π(4)), (π(3), π(4)), (π(3), π(5)), (π(3), π(6)), (π(3), π(7)), (π(3), π(8)), (π(5), π(8)), (π(6), π(7)), (π(6), π(8)), (π(7), π(8)). Jest ich 12, zatem π jest permutacją parzystą. Powyższe zgadza się z wnioskiem otrzymanym poprzez rozkład permutacji na transpozycje: (1 3) (3 8) (8 4) (6 7). 3 Literatura Powyższe przedstawienie zostało oparte na następujących pozycjach: W. J. Gilbert, W. K. Nicholson, Algebra współczesna z zastosowaniami, przełożył W. Bartol, WNT, Warszawa, 2008, str J. Klukowski, I. Nabiałek, Algebra dla studentów, wydanie czwarte uzupełnione, WNT, Warszawa, 2004, str

π(7)), (π(6), π(8)), (π(7), π(8)). Jest ich 12, zatem π jest permutacją parzystą.

Podobne dokumenty

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a); Ciała i wielomiany 1 Ciała i wielomiany 1 Definicja ciała Niech F będzie zbiorem, i niech + ( dodawanie ) oraz ( mnożenie ) będą działaniami na zbiorze F. Definicja. Zbiór F wraz z działaniami + i nazywamy