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[组合] n个大小相同的圆珠,其中k个红色,n-k个绿色

1.n个大小相同的圆珠,其中k个红色,n-k个绿色,穿成一个手环,(旋转或按手环所在平面翻转能够颜色能重合的认为是同一种,例如"rgrrgrrrg"与"rgrrrgrrg"翻转后能重合,认为是同一种),记不同的排列种数为f(n,k),试求相关的问题,表达式,递推性质,...
或者求几个特殊的。

2.n个大小相同的圆珠,其中k个红色,n-k个绿色,镶在圆盘上,(旋转后能重合的认为是同一种,例如"rgrrgrrrg"与"rrgrrrgrg"认为是同一种),记不同的排列种数为g(n,k),试求相关的问题,表达式,递推性质,...或者求几个特殊的。



我也不晓得有没有简单结果,在考虑别的问题时联想到的.
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可能要用上Pólya定理什么的,一般情况应该很复杂。

比较简单的情形,就是当 $k$ 与 $n$ 互素时,此时每种排列的自身不会有对称性,故在 $C_n^k$ 中每种排列被重复计算 $n$ 次,所以此时结果为 $C_n^k/n$。不互素就比较复杂了,晚点再想……

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回复 2# kuing

就是用波利亚定理,以前看过一个立体的题,网友给讲过,不过我用不好,人教论坛也有相关的帖子。
如果形状不同,结果也不一样,比如6个物品,可以排成正三角形顶点加各边中点,也可以排成正六边形只算顶点,这样结果可能就不相同了,因为对称轴不一样。

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本帖最后由 hbghlyj 于 2022-2-21 08:26 编辑 项链多项式(Necklace polynomial)
$M(α,n)$ counts the number of distinct necklaces of $n$ colored beads chosen out of $α$ available colors. $$\alpha^n \ =\ \sum_{d\,|\,n} d \, M(\alpha, d)$$$$M(\alpha,n) \ =\ {1\over n}\sum_{d\,|\,n}\mu\!\left({n \over d}\right)\alpha^d$$

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本帖最后由 hbghlyj 于 2022-2-20 19:19 编辑

这份计算机科学讲义的37页:
Coloring Necklaces
We conclude this section with an application to a classic example, that of counting necklaces. Our model for an $n$-beaded necklace is a geometric conceptualization of the cycle graph $C_{n}$ as a regular $n$-sided polygon, as illustrated in Figure 9.2.4. The numbering of the beads is used in specification of the permutations.
[tikz]\usetikzlibrary{shapes.geometric}
\begin{tikzpicture}[mystyle/.style={draw,shape=circle,fill=white, inner sep=0pt, minimum size=4pt, label={[anchor=center, label distance=2mm](90+360/\ngon*(#1-1)):#1}}]
\def\ngon{5}
\node[draw, regular polygon,regular polygon sides=\ngon,minimum size=3cm] (p) {};
\foreach\x in {1,...,\ngon}{
    \node[mystyle=\x] (p\x) at (p.corner \x){};
}
\end{tikzpicture}[/tikz]
Example 9.2.7: Suppose that each bead is to be colored either black or white, and that two necklaces are indistinguishable (i.e., equivalent) if one can be obtained from the other by a rotation of the polygon. We model these symmetries by the cyclic permutation group $\mathbb{Z}_{5}$, in which the clockwise rotation of $\frac{2 \pi}{5}$ corresponds to the permutation
$$
\alpha=\left(\begin{array}{lllll}
1 & 2 & 3 & 4 & 5
\end{array}\right)
$$
The cycle structure of the identity permutation is $t_{1}^{5}$. By Corollary 9.1.2, the cycle structure of the permutations
$$
\alpha, \quad \alpha^{2}, \quad \alpha^{3}, \quad \text { and } \quad \alpha^{4}
$$
is $t_{5}$. Thus, the cycle index polynomial is
$$
\mathcal{Z}_{\mathbb{Z}_{5}}=\frac{1}{5}\left(t_{1}^{5}+4 t_{5}\right)
$$
According to Theorem 9.2.8, the number of 2-colored, 5-beaded necklaces is$$
\frac{1}{5}\left(2^{5}+4 \cdot 2\right)=\frac{40}{5}=8
$$
Table 9.2.1 provides the corresponding Pólya inventory.


Table 9.2.1 Inventory for 5 -beaded necklaces under cyclic symmetry.
[tikz]\begin{tabular}{cccccccc}
cycle structure & subst & $b^{5}$ & $b^{4} w$ & $b^{3} w^{2}$ & $b^{2} w^{3}$ & $b w^{4}$ & $w^{5}$ \\
\hline$t_{1}^{5}$ & $(b+w)^{5}$ & 1 & 5 & 10 & 10 & 5 & 1 \\
$4 t_{5}$ & $4\left(b^{5}+w^{5}\right)$ & 4 & 0 & 0 & 0 & 0 & 4 \\
\hline sum & & 5 & 5 & 10 & 10 & 5 & 5 \\
$\div 5$ & & 1 & 1 & 2 & 2 & 1 & 1
\end{tabular}[/tikz]
Figure 9.2.5 illustrates the eight necklaces.

Fig 9.2.5 The eight 2-colored, 5-beaded necklaces.
Allowing reflections cannot increase the number of equivalence classes, since any two necklaces that are related by a rotation remain related by that rotation when reflections are included.

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为啥5#的代码画不出来?
  1. \usetikzlibrary{shapes.geometric}
  2. \begin{tikzpicture}[mystyle/.style={draw,shape=circle,fill=white, inner sep=0pt, minimum size=4pt, label={[anchor=center, label distance=2mm](90+360/\ngon*(#1-1)):#1}}]
  3. \def\ngon{5}
  4. \node[draw, regular polygon,regular polygon sides=\ngon,minimum size=3cm] (p) {};
  5. \foreach\x in {1,...,\ngon}{
  6.     \node[mystyle=\x] (p\x) at (p.corner \x){};
  7. }
  8. \end{tikzpicture}
复制代码
我在upmath.me官网上画却是可以画出来.

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回复 6# hbghlyj

似乎是因为有#号的原因(#在链接里有别的意思?)
[tikz]\#[/tikz]
在upmath上#生成的链接是变成%23
晚点我修改一下代码
=====
已解决,5#图已正常显示
原先以为改用 encodeURIComponent 就行,又发现会把 < 里的 & 啥的也转了,还是加个 replace(/#/g,'%23') 好了。

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以前写的的文章,晚点想想推广(例如群在二元集合上的作用等等)

分享:Brunside引理的应用.pdf (256.72 KB)

无钱佮歹看、无样佮歹生、无汉草佮无文采、无学历佮无能力、无高度无速度无力度共闲无代记。(闽南话)
口号:珍爱生命,远离内卷。

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回复 8# Czhang271828

学(看)习(看)学(看)习(看)

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回复 8# Czhang271828



简单来说, 该类计数问题通解如下:

Step 1: 将问题转化为群作用问题. 就项链计数而言, 记 $\Omega$ 为所有对象 (不考虑旋转翻转下等价, 例如两黑珠一白珠可组成 $3$ 条项链).

Step 2: 考虑旋转翻转作用, 即二面体群 $D_{n}$ 在 $\Omega$ 上的作用. $x\in \Omega$ 在旋转翻转下能生成的所有对象为轨道 $Gx:=\{gx:g\in\Omega\}$. 两黑珠一白珠的项链在正三角形变换群下可生成三个不同的对象, 即生成大小为 $3$ 的轨道.

Step 3: 记 $\Gamma:=\{(g,x):gx=x\}$​ 为不动点数量. Brunside 引理给出
$$
\sum_{g\in G}|\{x:gx=x\}|=|\Gamma|=|G|\cdot\text{所有轨道数量}.
$$
待求值即"考虑旋转翻转变换下等价的项链种数", 亦即轨道数量.

Step 4: 因此轨道数为
$$
\dfrac{1}{|G|}\sum_{g\in G}|\{x:gx=x\}|.
$$
该类计数方法的难点就是计算群中所有元素的不动点数量.

其他例子不举了, 这篇资料写得已经很好了.
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