Permutations of 4 elements Odd permutations have a green or orange background. The numbers in the right column are the inversion numbers (OEIS 數列A034968 ), which have the same parity as the permutation.
在数学 中,当X 是一个至少有两个元素的有限集合 时,X 的置换 (即从X 到X 的双射 )可分为大小相同的两类:奇置换 与偶置换 。如果X 固定了任何一个全序 ,X 的一个置换
σ
{\displaystyle \sigma }
的奇偶性 可以定义为
σ
{\displaystyle \sigma }
中反向对个数的奇偶性。所谓反向对即X 中二元组
x
,
y
{\displaystyle x,y}
使得
x
<
y
{\displaystyle x<y}
且
σ
(
x
)
>
σ
(
y
)
{\displaystyle \sigma (x)>\sigma (y)}
。这里
σ
(
x
)
{\displaystyle \sigma (x)}
为置换
σ
{\displaystyle \sigma }
中第
x
{\displaystyle x}
位的元素。
一个置换
σ
{\displaystyle \sigma }
的符号 (sign或signature )记作sgn(σ) :如果
σ
{\displaystyle \sigma }
是偶数则定义为 +1,如果
σ
{\displaystyle \sigma }
是奇数则定义为 -1。符号定义了对称群 S n 的交错特征 。置换的符号另一个更一般的符号为列维-奇维塔符号 (
ϵ
σ
{\displaystyle \epsilon _{\sigma }}
),定义在X 到X 的所有映射上,而在非双射映射上取值为0。
置换的符号可以清晰地表达为
sgn
(
σ
)
=
(
−
1
)
N
(
σ
)
{\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma )=(-1)^{N(\sigma )}}
这里
N
(
σ
)
{\displaystyle N(\sigma )}
是
σ
{\displaystyle \sigma }
中反向对的个数。或者,置换
σ
{\displaystyle \sigma }
的符号也可通过对换 分解定义为
sgn
(
σ
)
=
(
−
1
)
m
{\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma )=(-1)^{m}}
这里m 是分解中对换的个数。尽管这样一个分解不是惟一的,所有分解中对换个数的奇偶性是相同的,蕴含着置换的符号是良定义 的。
考虑集合{1,2,3,4,5}的置换σ,它将初始排列12345变为34521。可以通过三个对换得到:首先交换1和3的位置,然后交换2和4,最后交换1和5。这证明了给定的置换σ是奇的。利用置换 一文中的记号,我们可写成
σ
=
(
1
2
3
4
5
3
4
5
2
1
)
=
(
1
3
5
)
(
2
4
)
=
(
1
5
)
(
2
4
)
(
1
3
)
{\displaystyle \sigma ={\begin{pmatrix}1&2&3&4&5\\3&4&5&2&1\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&3&5\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}2&4\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&5\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}2&4\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1&3\end{pmatrix}}}
。
有无穷种方式将σ写成换位的复合 ,例如
σ
=
(
23
)
(
12
)
(
24
)
(
35
)
(
45
)
,
{\displaystyle \sigma =(23)(12)(24)(35)(45),\;}
但是不可能将其写为偶数个换位的复合。
恒同置换是偶置换。一个偶置换可以由恒同置换通过偶数 次两个元素互换(称为对换 )得到,而一个奇置换可由奇数次对换得到。
由整数加法相应的法则马上得到下列性质:
两个偶置换的复合是偶的
两个奇置换的复合是偶的
一个奇置换与偶置换的复合是奇的
由此得到
考虑集合{1,...,n }的所有置换之对称群 Sn ,我们可总结为映射
sgn
:
S
n
→
{
−
1
,
1
}
{\displaystyle \operatorname {sgn} :S_{n}\to \{-1,1\}}
将每个置换映为其符号是一个群同态 。
进一步,我们见到偶置换组成Sn 的一个子群。这就是n 个字母上的交错群 ,记作An 。它是符号同态的核 。奇置换不能组成一个子群,因为两个奇置换的复合是偶置换,但它们是An (在Sn 中)的一个陪集 。
如果n >1,则Sn 中偶置换与奇置换一样多;从而An 包含n ! /2个置换。(原因:如果σ是偶的,则 (12)σ是奇的;如果σ是奇的,则 (12)σ是偶的;这两个映射互逆。)
一个轮换是偶的当且仅当它的长度是奇的。这得自如下类似公式
(a b c d e ) = (a e ) (b e ) (c e ) (d e )
特别地,为了确定给定的置换是偶的还是奇的,将它写成不交轮换的乘积。这个置换是奇的当且仅当这个分解包含奇数个偶长度的轮换。
每个奇数阶 置换必须是偶的;反之一般不成立。
任意置换可以由一列对换产生:对第一个对换我们将置换的第一个元素放到它恰当的位置,第二个对换放第二个元素,等等。给定一个置换σ,我们可用无数种方式将其写成对换之积。我们要证明所有这样一个分解,要么都有偶数个对换,要么有奇数个对换。
假设我们有两个这样的分解:
σ = T'1 T'2 ... T'k'
σ = Q'1 Q'2 ... Q'm'
我们要证明k'与m'要么都是偶的,要么都是奇的。
每个对换可以写成奇数个相邻元素的对换之乘积,例如
(2 5) = (2 3)(3 4)(4 5)(4 3)(3 2)
如果我们将上面的T'1...T'k'与Q'1...Q'm'中每个对换作这样的分解,我们得到一个新的分解:
σ = T1 T2 ... Tk
σ = Q1 Q2 ... Qm
这里所有T 1...Tk Q 1...Qk 是相邻对换,k − k '是偶数,m − m '是偶数。
现在将T1的逆与σ复合。T 1是两个相邻数 (i , i + 1)的对换,所以与σ相比,新置换σ(i , i + 1)恰好少一个(若 (i ,i + 1)是σ的反向对)或多一个反向对(若 (i ,i + 1)不是σ的反向对)。然后以相同的方法应用到T 2, T 3, ... Tk 的逆,“消解”了置换σ。最后我们得到了恒同置换,它的N 是零,这意味着首先的N (σ)减去k 是偶数。
对另一个置换Q 1...Qm 我们对同样的事情,从而首先的N (σ)减去m是偶数
这样m − k 是偶数,这就是我们要证明的。
现在我们可以定义置换σ是偶的,如果N (σ)是偶数;是奇的,如果N (σ)是奇数。这与首先给出的定义相同,但现在清晰地看到每个置换不是偶的就是奇的。
另一个证明利用多项式
P
(
x
1
,
…
,
x
n
)
=
∏
i
<
j
(
x
i
−
x
j
)
.
{\displaystyle P(x_{1},\ldots ,x_{n})=\prod _{i<j}(x_{i}-x_{j}).\;}
例如在n = 3的情形,我们有
P
(
x
1
,
x
2
,
x
3
)
=
(
x
1
−
x
2
)
(
x
2
−
x
3
)
(
x
1
−
x
3
)
.
{\displaystyle P(x_{1},x_{2},x_{3})=(x_{1}-x_{2})(x_{2}-x_{3})(x_{1}-x_{3}).\;}
现在对{1,...,n }的一个给定置换σ,我们定义
sgn
(
σ
)
=
P
(
x
σ
(
1
)
,
…
,
x
σ
(
n
)
)
P
(
x
1
,
…
,
x
n
)
{\displaystyle \operatorname {sgn} (\sigma )={\frac {P(x_{\sigma (1)},\ldots ,x_{\sigma (n)})}{P(x_{1},\ldots ,x_{n})}}}
。
因为多项式
P
(
x
σ
(
1
)
,
…
,
x
σ
(
n
)
)
{\displaystyle P(x_{\sigma (1)},\dots ,x_{\sigma (n)})}
与
P
(
x
1
,
…
,
x
n
)
{\displaystyle P(x_{1},\dots ,x_{n})}
除了符号之外它们的因子相同,从而sgn(σ)不是 +1就是−1。从而如果σ与τ是两个置换,我们有
sgn
(
σ
τ
)
=
P
(
x
σ
(
τ
(
1
)
)
,
…
,
x
σ
(
τ
(
n
)
)
)
P
(
x
1
,
…
,
x
n
)
{\displaystyle \operatorname {sgn} (\sigma \tau )={\frac {P(x_{\sigma (\tau (1))},\ldots ,x_{\sigma (\tau (n))})}{P(x_{1},\ldots ,x_{n})}}}
=
P
(
x
σ
(
1
)
,
…
,
x
σ
(
n
)
)
P
(
x
1
,
…
,
x
n
)
⋅
P
(
x
σ
(
τ
(
1
)
)
,
…
,
x
σ
(
τ
(
n
)
)
)
P
(
x
σ
(
1
)
,
…
,
x
σ
(
n
)
)
{\displaystyle ={\frac {P(x_{\sigma (1)},\ldots ,x_{\sigma (n)})}{P(x_{1},\ldots ,x_{n})}}\cdot {\frac {P(x_{\sigma (\tau (1))},\ldots ,x_{\sigma (\tau (n))})}{P(x_{\sigma (1)},\ldots ,x_{\sigma (n)})}}}
=
sgn
(
σ
)
⋅
sgn
(
τ
)
{\displaystyle =\operatorname {sgn} (\sigma )\cdot \operatorname {sgn} (\tau )}
有此定义之后,显然任何两个相邻元素的对换有符号−1,这样我们事实上重新得到了早先定义的符号。
第三个证明利用群Sn 一个呈示 ,使用生成元为
τ
1
,
…
,
τ
n
−
1
{\displaystyle \tau _{1},\dots ,\tau _{n-1}}
,关系为
τ
i
2
=
1
{\displaystyle \tau _{i}^{2}=1}
对所有i ,
τ
i
τ
i
+
1
τ
i
=
τ
i
+
1
τ
i
τ
i
+
1
{\displaystyle \tau _{i}\tau _{i+1}\tau _{i}=\tau _{i+1}\tau _{i}\tau _{i+1}}
对所有i < n − 1,
τ
i
τ
j
=
τ
j
τ
i
{\displaystyle \tau _{i}\tau _{j}=\tau _{j}\tau _{i}}
如果 |i − j | ≥ 2。
这里生成元
τ
i
{\displaystyle \tau _{i}}
表示对换 (i , i + 1)。所有的关系将一个词的长度保持或改变2。从一个偶数长词开始使用这些关系后总得到偶数长词,对奇数长词也类似。从而可以毫无歧义地称Sn 中由偶数长词表示的元素是偶的,由奇数长词表示的元素是奇的。