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波利亚计数定理

波利亚计数定理（英语：Pólya enumeration theorem，简称PET）用来研究不同着色方案的计数问题，它是组合数学中的一个重要的计数公式，是伯恩赛德引理的一般化，由乔治·波利亚在1937年的论文^[1]中提出并被广泛应用，该结果首先由John Howard Redfield在1927年发表，但当时很少有人能理解，十年后由波利亚独立重新发现。对于含n个对象的置换群G，用t种颜色着色的不同方案数为：

l=1|G|∑g∈Gtc(ag)displaystyle l=frac 1sum _gin Gt^c(a_g)

其中 G=a1,a2,...,ag,c(ak)displaystyle G=a_1,a_2,...,a_g,c(a_k) 为置换akdisplaystyle a_k的循环指标（Cycle index）数目。

波利亚计数定理的母函数形式

设对n个对象用m种颜色：b1,b2,⋯,bmdisplaystyle b_1,b_2,cdots ,b_m着色。设

mc(pi)=(b1+b2+⋯+bm)c1(pi)(b12+b22+⋯+bm2)c2(pi)⋯(b1n+b2n+⋯+bmn)cn(pi)displaystyle m^c(p_i)=(b_1+b_2+cdots +b_m)^c_1(p_i)(b_1^2+b_2^2+cdots +b_m^2)^c_2(p_i)cdots (b_1^n+b_2^n+cdots +b_m^n)^c_n(p_i)，其中cj(pi)displaystyle c_j(p_i)表示置换群中第i个置换循环长度为j的个数。

设Sk=(b1k+b2k+⋯+bmk),k=1,2⋯,ndisplaystyle S_k=(b_1^k+b_2^k+cdots +b_m^k),k=1,2cdots ,n，则波利亚计数定理的母函数形式为：

P(G)=1∣G∣∑j=1gΠk=1nSkck(pj)displaystyle P(G)=frac 1mid Gmid sum _j=1^gPi _k=1^nS_k^c_k(p_j)

波利亚计数定理只是给出计数，但没有给出相应的方案，而母函数形式的波利亚计数定理可以给出相应的方案。

示例

示例1

使用两种颜色对正方体的六个面的面染色，不同的染色方案数有：

124(26+6×23+3×24+6×23+8×22) =10displaystyle frac 124left(2^6+6times 2^3+3times 2^4+6times 2^3+8times 2^2right) =10

示例2

问题描述：

甲烷CH4的4个键任意用H(氢),Cl(氯),CH3(甲基), C2H5(乙基) 连接，有多少种方案？ 

问题解答：

甲烷的结构为正四面体，设四面体的四个顶点分别为A、B、C、D，将正四面体的转动群按转动轴分类情况如下：

1. 不动旋转：A、B、C、D共有一个(1)⁴循环；


2. 以顶点与对对面的中心连线为轴，逆时针旋转±120。存在如下置换所对应的旋转：置换(BCD)与置换(BDC)、置换(ACD)与置换(ADC)、置换(ABD)与置换(ADB)，(ABC)及(ACB)，共计8个(1)¹(3)¹循环。


3. 以正四面体的3对对边之中点联线为旋转轴旋转180度，(AB)(CD)，(AC)(BD)，(AD)(BC),共有3个(2)²循环

根据波利亚计数定理可得:

112(44+8×42+3×42) =36displaystyle frac 112left(4^4+8times 4^2+3times 4^2right) =36

波利亚计数定理与伯恩赛德引理的比较

• 波利亚计数定理中的群G是作用在n个对象上的置换群。


• 伯恩赛德引理中的群G是对这n个对象染色后的方案集合上的置换群。


• 两个群之间存在一定的联系，群G的元素，相应的在染色方案上也诱导出一个属于G的置换。

参考文献

1. 
   ^ G. Pólya. Kombinatorische Anzahlbestimmungen für Gruppen, Graphen und chemische Verbindungen. Acta Mathematica. 1937, 68 (1): 145–254. doi:10.1007/BF02546665