Перестановка

(перенаправлено с «Тождественная перестановка»)

В комбинаторике перестано́вкой заданного конечного множества (все элементы различны) называется произвольный упорядоченный набор всех элементов (без повторений). Группируя эти элементы в разном порядке, можно получить различные перестановки. Всего из множества с элементами можно получить (-факториал) различных перестановок (см. рисунок)[1][2].

6 перестановок трёх шаров;

Перестановка является частным случаем размещения, когда выбираются все элементы множества[1].

Подстановка править

Перестановку можно рассматривать как функцию, которая каждому элементу некоторой начальной перестановки сопоставляет соответствующий по номеру элемент данной перестановки. Такую функцию часто называют подстановкой[3]. Перестановка   множества   может быть наглядно представлена в виде таблицы:

 

где   и  .

Пример: перестановка элементов множества   в обратном порядке:

 

Инверсией в перестановке   называется всякая пара индексов   такая, что   и  . Чётность числа инверсий в перестановке определяет чётность перестановки. Пример:

 

Здесь элементы 2 и 3 образуют инверсию.

Связанные определения править

Носитель перестановки   — это подмножество множества  , определяемое как  

Неподвижной точкой перестановки   является всякая неподвижная точка отображения  , то есть элемент множества   Множество всех неподвижных точек перестановки   является дополнением её носителя в  .

Специальные типы перестановок править

  • Тождественная перестановка — перестановка   которая каждый элемент   отображает в себя:  
  • Инволюция — перестановка   которая является обратной самой себе, то есть  
  • Беспорядок — перестановка без неподвижных точек.
  • Циклом длины   называется такая подстановка   которая тождественна на всём множестве   кроме подмножества   и   Обозначается  .
  • Транспозиция — перестановка элементов множества  , которая меняет местами два элемента. Транспозиция является циклом длины 2.

Произведения циклов и знак перестановки править

Перестановку   можно представить в виде ориентированного графа, где вершинами являются элементы конечного множества, а связи между вершинами описывают переход. В случае,  , для   элемента рисуется петля. Таким образом, получается граф, где из каждой вершины выходит и входит одно ребро. Пример перестановки представленной в виде ориентированного графа можно увидеть на изображении справа.

 
Пример перестановки, представленной в виде ориентированного графа

Таким образом, любая перестановка   может быть разложена в произведение (композицию) непересекающихся циклов длины  , причём единственным образом с точностью до порядка следования циклов в произведении. Например:

 

Часто также считают, что неподвижные точки перестановки представляют собой самостоятельные циклы длины 1, и дополняют ими цикловое разложение перестановки. Для приведённого выше примера таким дополненным разложением будет  . Число циклов разной длины, а именно набор чисел  , где   — это число циклов длины  , определяет цикловую структуру перестановки. При этом величина   равна длине перестановки, а величина   равна общему числу циклов. Число перестановок из   элементов с   циклами даётся числом Стирлинга первого рода без знака  .

Любой цикл может быть разложен в произведение (не обязательно непересекающихся) транспозиций. При этом цикл длины 1 (являющийся по сути тождественной перестановкой  ) можно представить как пустое произведение[en] транспозиций или, например, как квадрат любой транспозиции:   Цикл длины   можно разложить в произведение   транспозиций следующим образом:

 

Разложение циклов на произведение транспозиций не является единственным:

 

Таким образом, любая перестановка может быть разложена в произведение транспозиций. Хотя это можно сделать многими способами, чётность числа транспозиций во всех таких разложениях одинакова. Это позволяет определить знак перестановки (чётностью перестановки или сигнатурой перестановки)   как:

 

где   — число транспозиций в каком-то разложении  . При этом   называют чётной перестановкой, если  , и нечётной перестановкой, если  .

Эквивалентно, знак перестановки определяется её цикловой структурой: знак перестановки   из   элементов, состоящий из   циклов, равен

 .

Знак перестановки   также может быть определён через число инверсий   в  :

 .

Вариации и обобщения править

В теории групп под перестановкой произвольного множества подразумевается биекция этого множества на себя. Как синоним слову «перестановка» в этом смысле некоторые авторы используют слово подстановка. (Другие авторы подстановкой называют (приведённый выше) наглядный способ записи перестановки. Более существенное отличие состоит в том, что подстановка — это непосредственно функция, а перестановка — результат применения этой функции к элементам последовательности.)

Композиция определяет операцию произведения на перестановках одной длины:   Относительно этой операции множество перестановок из   элементов образует группу, которую называют симметрической и обычно обозначают  .

Любая конечная группа порядка   изоморфна некоторой подгруппе симметрической группы   (теорема Кэли). При этом каждый элемент   сопоставляется с перестановкой  , задаваемой на элементах   тождеством   где   — групповая операция в  .

Перестановки с повторением править

Рассмотрим   элементов   различных типов, причём в каждом типе все элементы одинаковы. Тогда перестановки из всех этих элементов с точностью до порядка следования однотипных элементов называются перестановками с повторением. Если   — число элементов  -го типа, то   и число всевозможных перестановок с повторениями равно мультиномиальному коэффициенту  

Перестановку с повторениями можно также рассматривать как перестановку мультимножества   мощности  .

Случайная перестановка править

Случайной перестановкой называется случайный вектор   все элементы которого принимают натуральные значения от 1 до   и при этом вероятность совпадения любых двух элементов равна 0.

Независимой случайной перестановкой называется такая случайная перестановка  , для которой:

 

для некоторых   таких, что:

 
 

Если при этом   не зависят от  , то перестановку   называют одинаково распределённой. Если же нет зависимости от  , то есть   то   называют однородной.

См. также править

Примечания править

  1. 1 2 Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: АСТ, 2006. — С. 293—294. — 509 с. — ISBN 5-17-009554-6.
  2. Виленкин Н.Я. Глава III. Комбинаторика кортежей и множеств. Размещения с повторениями // Популярная комбинаторика. — М.: Наука, 1975. — С. 80. — 208 с. Архивировано 14 октября 2010 года.
  3. Математическая энциклопедия, 1984.

Литература править

Ссылки править