置换群
用群作用视角重解置换:从轮换分解、奇偶性到轨道稳定子定理一次打通
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置换群
用群作用视角重解置换:从轮换分解、奇偶性到轨道稳定子定理一次打通
什么是置换
上一节我们看到,置换群研究的是「重排」的整体结构。现在往回走一步:到底什么是「置换」?它和中学数学里的「排列」是什么关系?
排列是「一共能排出多少种坐法」,置换是「谁坐到哪」的对应关系本身
置换的表示法
前页我们用箭头 σ(1)=3 描述置换,但一条条写零散。置换是整体对象——怎么'一次性写下来'?两套主流记号:表格化的两行法,和轨迹化的循环法。这一页学互译。
1棒→2棒→3棒→…→最后一棒传回起点,闭环就是一个循环
置换的乘法运算
置换相乘不是数相乘,而是函数复合。关键是顺序:从右往左依次作用。
换位的定义
前面我们学过,任意置换都可以由若干置换复合而成。那有没有最简单、最'原子'的置换?——只交换两个、其余不动的置换,就是一切的'积木'。
排序反复调 swap,每次只动两个位置,其余不变
换位的性质
上页我们把换位定义为只交换两个元素的最小积木。这页回答:一个置换究竟是「奇」还是「偶」,怎么判定?
灯的开关态只取决于按的次数奇偶,与顺序无关;分解方式可变,奇偶性不变
置换分解为换位
把任意置换拆成换位的乘积,按一个固定算法一步步推进。
共轭的定义
前面我们学了置换的乘法,也学会了把任意置换拆成换位。现在摆在你面前两个置换 τ 和 π:先用 π⁻¹ 改一下标签、再让 τ 作用、最后用 π 把标签还原回来——得到的这个新置换 σ,就叫 τ 的共轭。
矩阵作用在向量空间,置换作用在集合;P⁻¹AP 换坐标系,π 相当于给元素重命名
共轭类的构造
上一页我们用 gσg⁻¹ 定义了共轭——把 σ 里每个元素 a 换成 g(a)。问题来了:变换之后,什么被保留、什么被丢掉?答案是:循环的'形状'不变,循环型才是决定共轭关系的真正指纹。
学生位置不变、只换名牌,循环形状就不变;只要形状相同,总能换名牌让两套排列对应
共轭类的判定定理
图示共轭作用的流程:ρ → 类型 3+2 → 经 σ 共轭 → 类型不变 → 同型 ⇔ 共轭。横向阅读,从左到右推进。
共轭类与对称分类
盯着 NH₃,绕 C₃ 轴转 120°——三个 H 互换位置,N 没动。这是一次 4 元置换里的 3-循环。把分子所有「形状不变」的操作按循环结构分堆,每堆就是一个共轭类——这正是构造特征标表的起点。
同官能团同类;但放进特定反应条件(子群约束)下,等价类可能再拆分。
Burnside引理初步
上节我们收在「共轭类内循环类型一致」。这一节把它接上 Burnside 引理:能不能用共轭类当颗粒度去数轨道?答案是可以——同类元素不动点相同,求和就能按类合并。
同类商品单价相同;总价 = Σ 类(数量 × 单价),不必逐件算
置换群的编程实现
用一段 Python 把置换表示为字典,演示乘法、共轭运算与循环型判定——共轭 ⇔ 循环型相同。
字典即映射;compose 用推导式实现函数复合;conjugate 把 g·p·g⁻¹ 写成三步;cycle_type 沿轨道走得到循环结构;同循环型即共轭(在 S_n 中)。
核心概念自测
两个置换在 S_n 中共轭,当且仅当它们具有相同的______。
课后思考
先自己想,再看参考答案——好的问题比答案更值得琢磨。
参考答案从恒等置换出发逐步搬运元素,每步都是换位;不相交轮换彼此独立、交换顺序不影响结果,所以唯一。
参考答案立方体有4条主对角线,旋转正好置换它们——旋转群同构于S₄,这给置换群一个直观模型。
参考答案看作用对象:作用于无穷集合上一般不行;但只要让无限群作用在有限集合上,仍可化为置换群讨论。