Pólya计数与Burnside引理

概述

如果题目中定义一种等价关系,满足等价关系的元素被看成同一类,只统计一次;这样的问题称为等价类计数问题。一般的等价类计数问题可以用 Burnside 引理或 Pólya定理解决。

刚复习了一遍 qwq 我当时写得真好

模板

置换

置换实际上就是一一映射,$f$ 可以看成定义域和值域为 $\lbrace 1,2,3,…,n\rbrace$ 的函数,其中 $f(1)=a_1$, $f(2)=a_2$ 等等。
$$
f=
\left(\begin{array}{cccc}
1&2&…&n \
a_1&a_2&…&a_n \
\end{array}\right)
$$

函数复合

如果
$$
f=
\left(\begin{array}{cccc}
1&2&…&n \
a_1&a_2&…&a_n \
\end{array}\right)
$$

$$
g=\left(\begin{array}{cccc} 1&2&…&n \ b_1&b_2&…&b_n \ \end{array}\right)
$$
是 $\lbrace 1,2,3,…,n\rbrace$ 的两个置换,则他们的复合按照先 $f$ 后 $g$ 的顺序放置得到一个新置换:
$$
g\circ f=
\left(\begin{array}{cccc}
1&2&…&n \\

a_1&a_2&...&a_n \\

\end{array}\right)
\circ
\left(\begin{array}{cccc}
1&2&…&n \
b_1&b_2&…&b_n \
\end{array}\right)

$$

循环

为了处理方便,常常把置换分解成循环的乘积,其中每个循环代表一些元素“循环移位”。比如 $(1,4,3)$ 这个循环表示 $1\rightarrow 4$,$4\rightarrow 3$,$3\rightarrow 1$。

易证任意置换都可以分解为循环乘积的形式。

例题

在 2*2 方格中涂黑白两色,方格允许旋转,有几种方法?

假设不考虑方格允许旋转,则共有 16 种上色方案。本题中“旋转后相同”即为一个等价关系,有了等价关系,所有元素会被分为若干个等价类,我们需要统计的即为等价类的个数。

对于一个置换 $f$ ,若一个着色方案 $s$ 经过置换后不变,称 $s$ 为 $f$ 的不动点。将 $f$ 的不动点数目记为 $C(f)$,则可以证明等价类数目为置换群中所有 $C(f)$ 的平均值。此结论称为 Burnside 引理。

一般地,如果置换 $f$ 被分解为 $m(f)$ 个循环的乘积,那么每个循环内所有位置的颜色必须相同,假设涂 $k$ 种颜色,则有 $C(f)=k^{m(f)}$。带入 Burnside 引理的表达式之后得到 Pólya 定理:等价类的个数等于置换群种所有置换 $f$ 的 $k^{m(f)}$ 的平均数

将 $t$ 种颜色的 $n$ 个小球排成一个环,允许旋转和翻转,有几种方法?

首先考虑旋转置换。记置换 $f_i$ 为将环形顺时针旋转 $i$ 个单位长度。显然,$m(f_i)=gcd(i,n)$ 。

其次考虑翻转置换。当 $n$ 为奇数时,$|G|=n$,且 $m(f)=(n-1)/2+1$;当 $n$ 为偶数时,$|G|=n$,且 $m(f)=n/2+1$。

记:
$$
a=\Sigma_{i=0}^{n-1} t^{gcd(i,n)}\
b=\begin{cases}
t^{(n-1)/2+1} , n=2k+1\
t^{n/2+1},n=2k
\end{cases}
$$
最终答案 $ans=(a+b)/2n$。

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