11.1. Определение. Пусть M -- некоторое множество.
Подстановкой на M назовем взаимно однозначное отображение
множества M на себя. Обозначим через S(M) множество всех подстановок
на M.
11.2. Группа подстановок
Пусть a и b -- две подстановки из S(M). Назовем
произведением ab этих подстановок композицию отображений a, b, то
есть ab -- такой элемент из S(M), что
m(ab)=(ma)b для всех
Теорема. Множество S(M) является группой относительно введенной
операции умножения, то есть в S(M) есть единичный элемент e со свойством:
ex=xe=x для любого
; для любого
есть
,
что xy=yx=e, и
операция умножения ассоциативна.
Доказательство. Нам необходимо проверить три аксиомы. В S(M)
имеется единичный элемент -- это тождественное отображение, которое обозначим
буквой e. Известно также, что для всякого взаимно однозначного
отображения x множества M на M существует обратное отображение
x-1, для которого xy=yx=e. Осталось проверить аксиому ассоциативности.
Пусть a, b, c
-- подстановки из
-- элемент множества M. Вычисляя образ
элемента m при отображениях (ab)c и a(bc), мы убеждаемся, что эти
отображения совпадают:
11.3. Изображение подстановок. Число элементов в Sn
В дальнейшем мы будем рассматривать только ситуацию, когда
M -- конечное множество, состоящее из натуральных чисел 1,2,...,n.
Элемент множества M часто называют символом. В этом случае принято
группу подстановок на множестве
обозначать через Sn
и называть симметрической группой степени n.
Пусть
.
Подстановке a мы сопоставим табличку
Упражнение. Доказать, что группа подстановок Sn при n>2
некоммутативна, то есть найти две такие подстановки a,b, что
.
11.4. Независимые подстановки. Разложение в циклы
Пусть
.
Для данной подстановки
обозначим через
множество
действительно перемещаемых подстановкой a символов, т.е. множество
всех таких элементов
,
для
которых
.
Пусть
и
j1,...,jn-r --
остальные символы множества M. Тогда
Определение. Подстановки a, b называются независимыми,
если они не имеют общих действительно перемещаемых символов, т.е. если
.
Лемма. Пусть a,b -- независимые подстановки, тогда
ab=ba и
. Если i -- символ из M,
то i(ab)=i, когда
;
i(ab)=ia, когда
; i(ab)=ib, когда
.
Доказательство. Разберем три имеющиеся возможности для
данного символа i.
1)
.
Тогда
,
откуда
.
2)
.
Тогда
.
Из представления (3) для
подстановки a вытекает, что множества
и
совпадают.
Поэтому
.
Так как
,
то jb=j, откуда
.
3)
.
Тогда
,
поэтому
ja=j. Имеем
.
Из этих рассмотрений вытекает утверждение леммы.
Пусть a - неединичная подстановка из Sn и
.
Тогда
.
Пусть
- такое максимальное
множество различных символов,
что
i1a=i2,...,ir-1a=ir. Ввиду условия максимальности
.
Можно
утверждать, что ira=i1, так как символы
i2,...,ir имеют своими
прообразами символы
i1,...,ir-1. Множество
назовем нетривиальной орбитой
подстановки a (тривиальная орбита состоит из неподвижного
элемента). Отметим, что все элементы орбиты получаются из любого ее
символа с помощью действий отображением a. Отсюда следует, что любые
две орбиты подстановки a либо не пересекаются, либо совпадают, и
что множество
разбивается в объединение непересекающихся
нетривиальных орбит.
Определение. Подстановка
называется циклом,
если она
имеет точно одну нетривиальную орбиту. Другими словами, найдутся такие
различные символы
i1,...,ir, что
i1a=i2,...,ir-1a=ir и
.
Число r
называется длиной цикла c.
Данный цикл c принято для краткости изображать в виде одной
строки
Теорема. Любая неединичная подстановка
однозначно с
точностью до перестановки множителей разлагается в произведение
независимых циклов.
Доказательство. Ранее мы отмечали, что множество
разбивается в объединение непересекающихся нетривиальных орбит. Пусть
-- такое разбиение, где
и
.
Рассмотрим циклы
с1=(i1,...,ir),...,
сp=(j1,...,js). По построению эти циклы независимы.
Покажем, что
.
Рассмотрим произвольный символ i из
M. Если
,
то
.
Тогда
.
Пусть
,
например,
.
По лемме
.
Мы установили, что отображения
a и
совпадают. Перестановочность элементов
c1,...,cp
следует из леммы.
Докажем единственность разложения. Пусть подстановка a
разложена некоторым другим способом в произведение независимых
циклов:
.
Из леммы следует, что для каждого цикла
подстановка a действует на множестве
также, как и dq. Поэтому
будет нетривиальной орбитой для a (все символы этого множества
получаются из одного с помощью действия a) и
-- разбиение
множества
на нетривиальные орбиты. Такого сорта разбиение
однозначно. Поэтому p=l и, с точностью до переиндексации,
.
Так как на множестве L1 действие
циклов c1 и
d1 равносильно действию a, то c1=d1. Аналогично
c2=d2,...,cp=dp. Теорема доказана.
Упражнение. Произведение m подстановок, каждая из которых равна a, обозначим через am. Доказать, что am= e тогда и только тогда, когда число m делится на наименьшее общее кратное длин независимых циклов, на которые разлагается подстановка a.
11.5. Разложение на транспозиции. Четность
Транспозицией называется цикл длины 2, т.е. цикл вида (ij).
Пусть
c=(i1,...,ir) -- цикл длины r. Непосредственно
проверяется,
что цикл c разлагается в следующее произведение (r-1)-ой транспозиции:
Теорема. При различных разложениях подстановки в произведение транспозиций четность числа множителей одна и та же.
Доказательство. Нам потребуются следующие соотношения для
транспозиций, которые проверяются непосредственно.
1)
(ij)-1=(ij)=(ji);
2)
(ij)(kl)=(kl)(ij), если i,j,k,l -- различные символы;
3)
(ij)(ik)=(ik)(kj), если i,j,k -- различные символы.
Переходим к доказательству теоремы. Пусть подстановка a
разлагается двумя способами в произведение транспозиций:
.
Тогда получаем следующее разложение единичной
подстановки
в произведение r+s транспозиций. Нужно
доказать, что число r+s четное.
Итак, достаточно установить, что в произвольном разложении
единичной подстановки на транспозиции
Доказанная теорема позволяет ввести следующее
Определение. Подстановка называется четной, если она разлагается в произведение четного числа транспозиций. В противном случае подстановка называется нечетной.
Выше мы замечали, что всякая подстановка разлагается в
произведение транспозиций, число которых равно декременту.
Поэтому
четность подстановки совпадает с четностью декремента.
Введем функцию
-- знак подстановки a. По определению
полагаем
,
если a - четная подстановка, и
,
если a --
нечетная подстановка. Эта функция удовлетворяет соотношению
.
Упражнение. Доказать, что число четных подстановок на множестве из n символов равняется n!/2.
11.6. Явная форма для определителя матрицы.
Полученные результаты о подстановках позволяют выписать явную формулу для определителя квадратной матрицы.
Теорема. Пусть
. Тогда
Доказательство. Воспользуемся индукцией по n.
При n=1 теорема очевидным
образом верна. Пусть n>1. Разложим det A по последнему столбцу и
воспользуемся индукцией для вычисления алгебраических дополнений:
-- коэффициент при соответствующем слагаемом в каждой из рассматриваемых сумм. Теорема доказана.