# 群的定义
## 群
若集合 $G$ 和其上的运算 $*$ 满足一下四个条件,则称二元组 $(G,*)$ 构成**群**。
1. **封闭性**:$\forall f,g\in G,f*g\in G$。
2. **结合律**:$\forall f,g,h\in G,(f*g)*h=f*(g*h)$。
3. **单位元**存在性:$\exist e\in G$,使得 $\forall g\in G,e*g=g*e=g$。
4. **逆元**存在性:$\forall f\in G,\exist g\in G$,使得 $f*g=g*f=e$。称 $g$ 为 $f$ 的逆元,记作 $f^{-1}$。
特别地,若群 $G$ 满足交换律,称 $G$ 是一个交换群或阿贝尔(Abel)群。
## 阶
群 $G$ 的元素个数称为 $G$ 的**阶**,记为 $|G|$。若 $G$ 有无穷多个元素,称 $G$ 为**无限群**,若 $G$ 的元素个数有限,称 $G$ 为**有限群**。
## 子群
设 $(G,*)$ 是群,若 $G$ 的子集 $H$ 对于**同一种运算** $*$ 也构成群,则称 $(H,*)$ 是 $(G,*)$ 的子群,记作 $H\leq G$。
## 陪集
对于群 $(G,*)$ 和它的一个子群 $H\leq G$,对于一个元素 $g\in G$,记**集合** $gH=\{g*h|h\in H\}$ 为 $H$ 在 $G$ 中导出的一个左陪集,同理可以给出右陪集的定义。
很明显,陪集的大小等于 $|H|$。
注意,**陪集不一定是子群**。
# Lagrange 定理
## 定理 1(陪集的性质)
对于子群 $H\leq G$,它导出的任意两个陪集,要么完全相同,要么交集为空。
**证明**(以两个元素都导出左陪集为例):
若 $g_1,g_2\in G,g_1\neq g_2$ 所导出的陪集有交,那么必然存在 $h_1,h_2\in H,h_1\neq h_2$,满足 $g_1*h_1=g_2*h_2$。
同时右乘一个 $h_1^{-1}$ 得 $g_1=g_2*h_2*h_1^{-1}$,又因为 $h_1^{-1}\in H$,所以 $h_2*h_1^{-1}\in H$,即 $\exist t\in H$,满足 $g_1=g_2*t$。
因此,对于 $g_1H$ 中的任意元素 $g_1*h,h\in H$,都可以表示成 $g_2*t*h$,而 $t*h\in H$,所以 $g_1*h\in g_2H$。
如上就证明了 $g_1H\subseteq g_2H$,同理可以证明 $g_2H\subseteq g_1H$,因此 $g_1H=g_2H$,定理得证。
## 定理 2(Lagrange 定理)
对于有限群 $G$ 及其子群 $H\leq G$,有 $|G|=|H|[G:H]$。
其中,$[G:H]$ 表示 $H$ 能够导出的陪集的种类数。
## 定理 3(子群的性质)
由 Lagrange 定理可以得到一个推论。
对于有限群 $G$ 及其子群 $H\leq G$,有 $|H|$ 整除 $|G|$。
# 染色的定义
## 染色
有一个由编号 $1$ 到 $n$ 构成的集合,它上面的染色 $c$ 定义为给集合中的每一个元素分配一种颜色的分配方案,其中第 $i$ 个元素的颜色为 $c[i]$。
## 广义的染色
对于群 $G$(无须是置换群)和一个全集 $\mathcal{C}$,对于 $G$ 中的任意一个元素 $g$ 和 $\mathcal{C}$ 中的任意一个元素 $c$,定义运算 $\cdot$ 满足 $g\cdot c\in\mathcal{C}$,且满足如下两个性质:
1. $e\cdot c=c$。
2. $(f*g)\cdot c=f\cdot(g\cdot c)$。
则称 $\mathcal{C}$ 为广义染色集合,$\mathcal{C}$ 中的元素 $c$ 是广义染色。
## 置换对染色的作用
对于置换 $f\in S_n$ 的染色 $c\in \mathcal{C}$,定义置换 $f$ 作用于 $c$ 的结果为 $f\cdot c$,满足 $(f\cdot c)[i]=c[f^{-1}(i)]$(相当于是沿着 $f(i)$ 这条边走了一步)。
不难发现,它满足下面两个性质:
1. $e\cdot c=c$。
2. $(f*g)\cdot c=f\cdot(g\cdot c)$。
也就是说,它符合广义染色的定义。
# 轨道——稳定子群定理
## 轨道
对于一个群 $G$ 和一个染色 $c$,定义 $c$ 在 $G$ 中的**轨道**为:
$$
G\cdot c=\{g\cdot c|g\in G\}
$$
对于一个染色集合 $X\subseteq\mathcal{C}$,定义 $G\cdot X=\{g\cdot c|g\in G,c\in X\}$,若 $G\cdot X=X$,则称 $X$ 在 $G$ 下**固定**。
## 稳定子群
对于一个群 $G$ 和一个染色 $c$,群中满足 $g\cdot c=c$ 的 $g$ 构成一个**群**,称之为染色 $c$ 的**稳定子群**,记作 $G_c$。
**证明**为什么是一个子群:
考虑反证法。
设使得 $g\cdot c=c$ 的 $g$ 构成集合 $H$。
如果不是一个子群,那么必然存在 $p,q\in H$,使得 $p*q\notin H$。
因为 $p\cdot c=c,q\cdot c=c$,所以 $p\cdot (q\cdot c)=c=(p*q)\cdot c$,$p*q\in H$,与之前的假设矛盾。
因此,$H$ 一定是 $G$ 的子群。
## 轨道——稳定子群定理
对于群 $G$ 和染色 $c$,有 $|G\cdot c|\cdot|G_c|=|G|$。
**证明**:
任取 $g\in G$,对于左陪集 $gG_c$ 中的元素 $g*h,h\in G_c$,它作用于染色 $c$ 的结果为 $(g*h)\cdot c=g\cdot(h\cdot c)=g\cdot c$。
也就是说,对于 $G_c$ 的每种不同的左陪集 $H$,$H$ 内部的元素作用于 $c$ 的结果相同。
另一方面,对于两个不同的左陪集 $g_1G_c,g_2G_c$,它们中的元素作用于 $c$ 不能产生相同的结果。
否则,$g_1\cdot c=g_2\cdot c$,有 $(g_1^{-1}*g_2)\cdot c=c$,那么 $g_1^{-1}*g_2\in G_c$,于是 $g_2\in g_1G_c$,矛盾。
因此,对于每种不同的陪集,对 $c$ 作用的结果不同,陪集内部的元素作用的结果有分别相同。
由 Lagrange 定理,$|G\cdot c|\cdot|G_c|=|G|$ 得证。
# Burnside 引理
对于一个群中元素 $g$ 和一个染色集合 $X\subseteq \mathcal{C}$,$X$ 中满足 $g\cdot c=c$ 的染色 $c$ 的集合记作 $X^g$。
记 $c_1\thicksim c_2$ 表示染色 $c_1$ 和染色 $c_2$ 本质相同。
$c_1\thicksim c_2$ 当且仅当满足下列条件之一:
1. $c_2\thicksim c_1$。
2. $\exist g\in G$,使得 $g\cdot c_1=c_2$。
3. $c_2\in G\cdot c_1$。
4. $G\cdot c_1=G\cdot c_2$。
对于染色集合 $X\subseteq \mathcal{C}$,在群 $G$ 的作用下 $X$ 中本质不同的染色数等于 $X$ 中所有元素在 $G$ 中形成的不同轨道的数目,记作 $|X/G|$。
于是可以得到 Burnside 引理:
$$
|X/G||G|=\sum_{g\in G}|X^g|
$$
**证明**:
考虑计算 $g\cdot c=c,g\in G,c\in\mathcal{C}$ 的数量。
可以枚举群中元素
$$
\sum_{g\in G}|X^g|
$$
也可以枚举染色
$$
\sum_{c\in X}|G_c|=\sum_{c\in X}\frac{|G|}{G\cdot c}=|G|\sum_{c\in X}\frac{1}{|G\cdot c|}
$$
每种轨道 $G\cdot c$ 中的每种染色都会在轨道中贡献一次,因此
$$
\sum_{c\in X}\frac{1}{|G\cdot c|}=|X/G|
$$
因此
$$
|X/G||G|=\sum_{g\in G}|X^g|
$$