7. Цикл. Теорема о представлении подстановки в виде произведения независимых циклов. Транспозиция. Чётные и нечётные подстановки. Знакопеременная группа Цикл

Цикл длины — симметрическая группа степени , в которой элементы перемещены так, что (или, что то же самое, ), где все числа — разные, . Цикл обозначается следующим образом:

или

Причём набор таких элементов называется орбитой любого из чисел .

Цикл независим, если у него нет общих чисел. Цикл длины 1 — это, очевидно, тождественная подстановка ; в произведениях подстановок их можно не записывать.

Теорема. Любую подстановку в можно записать в виде произведения независимых циклов. Разложение подстановки в произведение циклов длины определено однозначно с точностью до порядка циклов.

Доказательство.

Очевидно, что отношение между числами «принадлежность одной -орбите» есть отношение эквивалентности:

1. Рефлексивно, то есть .

2. Симметрично, то есть .

3. Транзитивно, то есть .

Данное отношение разбивает множество на классы эквивалентности по этому отношению. Каждый элемент принадлежит одному и только одному классу эквивалентности. Поэтому все числа однозначно разбиваются на непересекающиеся классы эквивалентных между собой орбит, а подстановка представляется как произведение соответствующих циклов. Теорема доказана.

Пример. .

Транспозиция — подстановка вида , где , сводящаяся к перестановке двух чисел между собой, или, что тоже самое, цикл длины 2.

Любой цикл можно написать в виде произведения транспозиций:

Замечание. Транспозиции не коммутируют (как и перестановки).

Пример. .

Пример. .

Пример. .

Пример. .

Нетрудно показать, что любую подстановку можно представить в виде произведения транспозиций. Такое представление не единственно (например, в примерах выше ).

Все подстановки подразделяются на 2 класса: чётные и нечётные.

Если в матрице подстановки есть 2 столбца , для которых и или и , то такая пара столбцов называется инверсией подстановки.

Подстановка называется чётной или нечётной в зависимости от того, чётно или нечётно число инверсий в ней.

Очевидно, что любая транспозиция является нечётной подстановкой:

одна инверсия нечётная

Теорема. Если подстановка чётная, то при любом способе разложения её в произведение транспозиций число множителей (то есть транспозиций) чётно, а если нечётная — то число этих транспозиций нечётно.

Следствие. Так как при перемножении чётных подстановок, очевидно, снова получается чётная подстановка, то множество всех чётных подстановок является подгруппой симметрической группы и называется знакопеременной группой и обозначается . Причём порядок равен . состоит из одной подстановки: . состоит из подстановок и т. д.

Пример. Подгруппа симметрической группы состоит из 3-х подстановок:

Произведение двух нечётных подстановок, очевидно, есть чётная подстановка, поэтому нечётные подстановки не образуют группу.

Порядок подстановки — это наименьшее целое положительное число такое, что .

Пример. Докажем, что порядок подстановки равен 5:

Теорема. Порядок подстановки равен НОК длин всех её независимых циклов.

Также нетрудно показать, что порядок цикла равен длине цикла.

Пример. Определить, является ли подстановка чётной или нечётной и разложить её в произведение транспозиций:

Сосчитаем число инверсий . Инверсии — это пары столбцов , , , , , , . Поэтому (подстановка нечётная).

Разложим её на циклы:

Как видим, число транспозиций в произведении равно 5, то есть нечётно.

Обратная операция:

добавлена в середину только потому, что она равна . Другие подстановки (не равные ) в любое место добавлять нельзя, так как коммутативности нет.

Порядок подстановки: . То есть . Проверим это.