Rotating Polyhedron
Rotating Polyhedron
用Polya定理数清每一种旋转下的不等价染色方案
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Rotating Polyhedron
用Polya定理数清每一种旋转下的不等价染色方案
旋转对称是什么
上一页我们看到正多面体能转着放回自身——这背后就是旋转对称。先从生活里找感觉:雪花转一下和原来一样,风车叶片每转 90° 看起来没变。数学上,这到底意味着什么?
4 片叶每转 90° 看上去一样,对应 4 阶;叶数 = 阶数
旋转对称 vs 全对称
有无反射面的本质区别
正多面体的旋转群
从五种正多面体出发,按旋转对称群阶数归类,分三档展示。
旋转的循环表示
上一页讲到旋转会搬动多面体的面。但「搬动」具体怎么记?这就要用置换的轮换表示——给面编号,看它们怎么循环。
座位号随转动依次被不同孩子占据,正是一次轮换
Burnside引理回顾
上一页我们把旋转写成点的循环;现在让每个旋转作用在所有颜色方案上:有的方案被转回原样,有的会被改变。
每种座位重排对应一个旋转;重排后仍相同的表数记一次,最后把所有重排的固定数取平均。
Burnside引理计算示例
三步走流程:左列三步主干,右列展开第二步对每个旋转的固定着色计数。
从引理到定理的跨越
Burnside 引理要逐元素算,元素一多就崩;用循环指标多项式把它压成一行式子。
循环指标多项式
用 Burnside 引理时,我们对每个旋转 g 只问:'涂完之后还认得出来吗?' Z(G) 把这个问题升级——它不只问认不认得,还把 g 内部'怎么循环的'完整记录下来。
Burnside 只输出一个数(不变点数),Z(G) 给出更细的指纹(循环结构)
循环类型计数方法
把正四面体的 12 个旋转拆成循环结构,统计每个指纹各有几个。
对每个旋转算循环指纹,再用 Counter 按指纹聚合,立刻看到 {(3,1):8, (2,2):3, (1,1,1,1):1}——几何上三类旋转在代数上就是三类循环类型。
立方体的24种旋转
立方体的所有旋转按旋转轴所在位置分为四大类,每类对应若干种旋转。
立方体旋转群分析
立方体24种旋转不必逐一枚举,按轴类型分四类即可系统统计循环结构。
立方体的循环指标
上一页把立方体24种旋转按共轭类分成了5组——这一页就给每组配上对应的循环结构项:次数乘以循环多项式,五项加和再除以24,Z(Cub)的完整多项式就落地了。
5类旋转各贡献自己的循环结构,按出现频率加权求和再除以总人数——和算全班均分一个套路
应用Polya定理计算
循环指标已经写好,最后一步就是把颜色数代入,把染色方案总数算出来。
立方体染色自测
立方体六个面用红、蓝两色染色,旋转后重合的视为同一种;按 Polya 计数,不同染色共有多少种?
正四面体的旋转群
从 12 种旋转分三类型,逐层看每类对顶点的循环结构,最后合并为循环指标。
多面体对比表
对偶多面体群阶成对相等,但循环指标截然不同——这才是 Polya 染色差异的源头。
- 四面体:12 ≅ A4
- 立方 / 八面体:24 ≅ S4
- 十二 / 二十面体:60 ≅ A5
- 规律:对偶多面体群同构
- 四面体:含 3-轮换主导
- 立方体:含 4-轮换主导
- 十二面体:含 5-轮换主导
- 规律:素数轮换长度对应面数
着色约束条件
上页数出了立方体无约束染色方案。但现实常有附加条件——国旗对面同色、地图相邻异色。这些约束如何塞进 Polya 的统一框架?
无约束每盘独立($x_i=c$),加了忌口/必选就换算法
权函数与颜色加权
上一节我们用循环指标算出了立方体三色染色的总数。但如果想精确知道「恰好2红1蓝」有多少种方案,就需要更细的工具——权函数。
每个染色是一个果篮,权重对总斤数;提某斤数档位的系数 = 挑出该斤数的篮子数
Polya定理的边界
前面用Polya算自由着色数很顺——每个面独立选色、互不干涉。但真实问题常带约束:相邻面不能同色、某些配色被禁用。这时候直接套公式就会算错。
角度问题秒解,但拿去量面积就算错工具;Polya管自由着色,碰到约束得换方法
课后思考
先合上笔记给自己五分钟,想不清楚再看下面。
参考答案求和会把每个等价类重复计入(重复次数=稳定它的群元素数);平均后每个等价类恰好记1次,这才是轨道数。
参考答案两者旋转群同构(都是S4,阶24)。顶点与面心互换后循环结构互换;只需把立方体循环指标中的变量含义切换,即得正八面体结果。
参考答案群阶翻倍(24→48),新增反演相关循环类型,循环指标需重写。但Polya定理本身不变——换群就重算,思路完全通用。