凱萊圖(英語:Cayley graph),也叫做凱萊著色圖,是將離散群的抽象結構畫出的一種圖。它的定義是凱萊定理(以阿瑟·凱萊命名)所暗含的。畫凱萊圖時,要選定群的一個生成元集合(通常有限),不同選法可能得到不同的凱萊圖。凱萊圖是組合群論(英语:Combinatorial group theory)與幾何群論(英语:Geometric group theory)的中心工具。
^Sabidussi, Gert. On a class of fixed-point-free graphs [論一類無不動點的圖]. Proceedings of the American Mathematical Society. October 1958, 9 (5): 800–4. JSTOR 2033090. doi:10.1090/s0002-9939-1958-0097068-7(英语).
^Babai, L. Technical Report TR-94-10. University of Chicago. 1996.. [2010-08-29]. (原始内容存档于2010-06-11).
^見定理3.7,Babai, László. 27. Automorphism groups, isomorphism, reconstruction [第27章:自同構群、同構、重構] (PDF). Graham, Ronald L.; Grötschel, Martin; Lovász, László (编). 1. Elsevier. 1995: 1447–1540 [2021-09-29]. ISBN 9780444823465. (原始内容存档于2021-04-22).
二月 20, 2023
凱萊圖, 英語, cayley, graph, 也叫做凱萊著色圖, 是將離散群的抽象結構畫出的一種圖, 它的定義是凱萊定理, 以阿瑟, 凱萊命名, 所暗含的, 畫時, 要選定群的一個生成元集合, 通常有限, 不同選法可能得到不同的, 是組合群論, 英语, combinatorial, group, theory, 與幾何群論, 英语, geometric, group, theory, 的中心工具, 在兩個生成元a和b上的自由群的, 目录, 定義, 例子, 特征, 基本性質, schreier陪集圖, 與群論的關係. 凱萊圖 英語 Cayley graph 也叫做凱萊著色圖 是將離散群的抽象結構畫出的一種圖 它的定義是凱萊定理 以阿瑟 凱萊命名 所暗含的 畫凱萊圖時 要選定群的一個生成元集合 通常有限 不同選法可能得到不同的凱萊圖 凱萊圖是組合群論 英语 Combinatorial group theory 與幾何群論 英语 Geometric group theory 的中心工具 在兩個生成元a和b上的自由群的凱萊圖 目录 1 定義 2 例子 3 特征 4 基本性質 5 Schreier陪集圖 6 與群論的關係 7 參見 8 注釋定義 编辑假設G displaystyle G 是群 而S displaystyle S 是G的生成集 凱萊圖G G G S displaystyle Gamma Gamma G S 是如下構造的著色的有向圖 G displaystyle G 的每個元素g displaystyle g 對應一個頂點 換言之 圖G displaystyle Gamma 的頂點集合V G displaystyle V Gamma 視為與G displaystyle G 等同 S displaystyle S 中每個生成元s displaystyle s 對應一種顏色c s displaystyle c s 對於任何g G s S displaystyle g in G s in S 畫一條由元素g displaystyle g 至g s displaystyle gs 的有向邊 染成c s displaystyle c s 色 換言之 邊集合E G displaystyle E Gamma 由形如 g g s displaystyle g gs 的有序對構成 邊的顏色由s S displaystyle s in S 確定 在幾何群論中 集合S displaystyle S 通常取為有限 對稱 即滿足S S 1 displaystyle S S 1 并且不包含這個群的單位元e displaystyle e 在這種情況下 凱萊圖是简单無向圖 它的邊沒有方向 由對稱性 并且不包含自環 因為e S displaystyle e notin S 例子 编辑假設G Z displaystyle G mathbb Z 是無限循環群 即整數的加法群 而集合S displaystyle S 由標準生成元1 displaystyle 1 和它的逆元 用加法符號為 1 displaystyle 1 構成 則它的凱萊圖是無窮鏈 英语 Path graph 類似地 如果G Z n displaystyle G mathbb Z n 是n displaystyle n 階循環群 模n displaystyle n 的加法群 而S displaystyle S 仍由G displaystyle G 的標準生成元1 displaystyle 1 與逆元 1 displaystyle 1 構成 則凱萊圖是環圖C n displaystyle C n 群的直積的凱萊圖 新生成集取為原生成集之笛卡爾積 是對應的凱萊圖的笛卡爾積 英语 Cartesian product of graphs 因此阿貝爾群Z 2 displaystyle mathbb Z 2 關於四個元素 1 1 displaystyle pm 1 pm 1 組成的生成集的凱萊圖 是平面R 2 displaystyle mathbb R 2 上的無窮網格 而帶有類似的生成集的直積Z n Z m displaystyle mathbb Z n times mathbb Z m 的凱萊圖 是環面上的n displaystyle n 乘m displaystyle m 有限網格 二面體群D 4 displaystyle D 4 有群展示 a b a 4 b 2 e a b b a 3 displaystyle langle a b a 4 b 2 e ab ba 3 rangle 左圖是關於兩個生成元a displaystyle a 和b displaystyle b 的凱萊圖 其中紅色箭頭表示左乘元素a displaystyle a 順時針旋轉90 displaystyle 90 circ 而因為元素b displaystyle b 左右反射 自反 所以表示左乘元素b displaystyle b 的藍色線是無方向的 故左圖混合了有向邊與無向邊 它有8 displaystyle 8 個頂點 8 displaystyle 8 條有向邊 4 displaystyle 4 條無向邊 二面體群D 4 displaystyle D 4 關於兩個生成元a displaystyle a 和b displaystyle b 的凱萊圖 D 4 displaystyle D 4 關於兩個自反生成元的凱萊圖同一個群D 4 displaystyle D 4 亦可畫出不同的凱萊圖 如右圖 b displaystyle b 仍表示左右反射 而c displaystyle c 則是關於主對角線的反射 以粉紅色線表示 由於兩個反射皆自反 右邊的凱萊圖完全無向 對應的群展示是 b c b 2 c 2 e b c b c c b c b displaystyle langle b c mid b 2 c 2 e bcbc cbcb rangle 條目開頭的圖 是兩個生成元a b displaystyle a b 上的自由群 關於生成集合S a b a 1 b 1 displaystyle S a b a 1 b 1 的凱萊圖 而正中央的黑點 是單位元e displaystyle e 沿著邊向右走表示右乘a displaystyle a 而沿著邊向上走表示乘以b displaystyle b 因為自由群沒有關係 它的凱萊圖中沒有環 這個凱萊圖是證明巴拿赫 塔斯基悖论的關鍵 右邊有離散海森堡群 海森堡群的一部分 顏色僅為方便看清分層 1 x z 0 1 y 0 0 1 x y z Z displaystyle left begin pmatrix 1 amp x amp z 0 amp 1 amp y 0 amp 0 amp 1 end pmatrix x y z in mathbb Z right 的凱萊圖 所用的三個生成元X Y Z displaystyle X Y Z 分別對應 x y z 1 0 0 0 1 0 0 0 1 displaystyle x y z 1 0 0 0 1 0 0 0 1 其關係為Z X Y X 1 Y 1 X Z Z X Y Z Z Y displaystyle Z XYX 1 Y 1 XZ ZX YZ ZY 亦可從圖中看出 本群為非交換無窮群 雖然是三維空間 其凱萊圖的增長 英语 Growth rate group theory 卻是4 displaystyle 4 階的 來源請求 特征 编辑群G displaystyle G 通過左乘作用在自身上 參見凱萊定理 這個作用可以看作G displaystyle G 作用在它的凱萊圖上 明確而言 一個元素h G displaystyle h in G 映射一個頂點g V G displaystyle g in V Gamma 到另一個頂點h g V G displaystyle hg in V Gamma 凱萊圖的邊集合被這個作用所保存 邊 g g s displaystyle g gs 變換成邊 h g h g s displaystyle hg hgs 任何群在自身上的左乘作用是簡單傳遞的 特別是凱萊圖是頂點傳遞 英语 Vertex transitive graph 的 事實上 反向的結論也成立 即有下列等價刻劃 稱為扎比杜西定理 英語 Sabidussi s Theorem 無標記又無着色 有向圖G displaystyle Gamma 是群G displaystyle G 的某個凱萊圖 當且僅當G displaystyle G 可作為圖自同構 就是要保存邊的集合 作用在G displaystyle Gamma 上 且該作用簡單傳遞 1 要從一個凱萊圖G G G S displaystyle Gamma Gamma G S 找回群G displaystyle G 和生成集S displaystyle S 先選擇一個頂點v 1 V G displaystyle v 1 in V Gamma 標上群的單位元e displaystyle e 接著 對G displaystyle Gamma 的每個頂點v displaystyle v G displaystyle G 中有唯一元素將v 1 displaystyle v 1 變換到v displaystyle v 於是可以在v displaystyle v 處標記該唯一元素 最後要確定G displaystyle G 的哪個生成集S displaystyle S 產生凱萊圖G displaystyle Gamma 而所求的S displaystyle S 就是毗連v 1 displaystyle v 1 的頂點標記的集合 生成集合是有限 這是凱萊圖的共同假定 當且僅當這個圖是局部有限的 就是說每個頂點僅毗連於有限多條邊 基本性質 编辑如果生成集合的成員s displaystyle s 是自身的逆元 即s s 1 displaystyle s s 1 則它一般被表示為無向邊 凱萊圖G G S displaystyle Gamma G S 本質上依賴於如何選擇生成集S displaystyle S 例如 如果生成集合S displaystyle S 有k displaystyle k 個元素 則凱萊圖的每個頂點都有k displaystyle k 條有向邊進入 k displaystyle k 條有向邊外出 當生成集合S displaystyle S 為對稱集 且有r displaystyle r 個元素時 凱萊圖是r displaystyle r 度的正則圖 在凱萊圖中的環 閉合路徑 指示S displaystyle S 的元素之間的關係 在群的凱萊複形此一更複雜的構造中 對應於關係的閉合路徑被用多邊形 填充 如果f G G displaystyle f G to G 是滿射群同態并且G displaystyle G 的生成集合S displaystyle S 的元素的像是不同的 則導出圖覆疊 英语 Covering graph 映射f G G S G G S displaystyle bar f Gamma G S to Gamma G S quad 這里的S f S displaystyle S f S 特別是 如果群G displaystyle G 有k displaystyle k 個生成元 階均不為2 displaystyle 2 并且這些生成元和它們的逆元構成集合S displaystyle S 則該集合生成的自由群F S displaystyle F S 有到G displaystyle G 的滿同態 商映射 故G G S displaystyle Gamma G S 被自由群的凱萊圖覆蓋 即2 k displaystyle 2k 度的無限正則樹 即使集合S displaystyle S 不生成群G displaystyle G 仍可以構造圖G G S displaystyle Gamma G S 但是 此情況下 所得的圖並不連通 在這種情況下 這個圖的每個連通分支對應S displaystyle S 所生成子群的一個陪集 對于有限凱萊圖 視為無向 其頂點連通性等于這個圖的度的2 3 displaystyle 2 3 若生成集極小 即移除任一元素及其逆元 就不再生成整個群 則其頂點連通性等於度數 2 至於邊連通性 則在任何情況下皆等於度數 3 群G displaystyle G 的每個乘性特徵標 英语 Multiplicative character x displaystyle chi 都給出G G S displaystyle Gamma G S 鄰接矩陣的特徵向量 若G displaystyle G 為交換群 則對應的特徵值為l x s S x s displaystyle lambda chi sum s in S chi s 特別地 平凡特徵標 將所有元素映至常數1 displaystyle 1 對應的特徵值 等於G G S displaystyle Gamma G S 的度數 即S displaystyle S 的元素個數 若G displaystyle G 為交換群 則恰有 G displaystyle G 個特徵標 故已足以確定全部特徵值 Schreier陪集圖 编辑如果轉而把頂點作為固定子群H displaystyle H 的右陪集 就得到了一個有關的構造Schreier陪集圖 它是陪集枚舉或Todd Coxeter算法的基礎 與群論的關係 编辑研究圖的鄰接矩陣特別是應用譜圖理論的定理能洞察群的結構 參見 编辑群的生成集合 群的展示注釋 编辑 Sabidussi Gert On a class of fixed point free graphs 論一類無不動點的圖 Proceedings of the American Mathematical Society October 1958 9 5 800 4 JSTOR 2033090 doi 10 1090 s0002 9939 1958 0097068 7 英语 Babai L Technical Report TR 94 10 University of Chicago 1996 存档副本 2010 08 29 原始内容存档于2010 06 11 見定理3 7 Babai Laszlo 27 Automorphism groups isomorphism reconstruction 第27章 自同構群 同構 重構 PDF Graham Ronald L Grotschel Martin Lovasz Laszlo 编 Handbook of Combinatorics 組合手冊 1 Elsevier 1995 1447 1540 2021 09 29 ISBN 9780444823465 原始内容存档于2021 04 22 取自 https zh wikipedia org w index php title 凱萊圖 amp oldid 71988035, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,