• No results found

Minimax Verzamelingen en Bomen

1 2 3 9 8 5 4 7 6 ❅ ❅ ❅ ❅ Figuur 5.1:S(T ) ={(13), (23), (34), (45), (56), (58), (78), (89)}

Stelling 5.1.1. Verband tussen minimax verzamelingen en bomen.

• (1) Voor elke onafhankelijke genererende verzameling S van Sym(n) bestaat er

een boomT met n toppen zodat S een van volgende vormen heeft :

– ofwel vorm 1 :S = S(T ) ={(p, q) | {p, q} boog van T }

– ofwel vorm 2 : S = S(T, ǫ, s):={s} ∪ {(st)ǫ(t) | t ∈ S(T ) \ {s}} voor

eens∈ S(T ) en een functie ǫ met waarden ±1 afhankelijk van t ∈ S(T ). • (2) Voor elke boom T met n toppen zijn S(T ) en S(S(T ), ǫ, s) onafhankelijke

Bewijs van (2). We tonen aan dat alsT een boom is, dat S(T ) en S(T, ǫ, s) met s∈ S onafhankelijke genererende verzamelingen zijn van Sym(n).

• De boom T met toppenverzameling {1, ..., n} heeft geen cykels. Dus is S(T )

een onafhankelijke verzameling vanSym(n).

• De boom T met n toppen heeft n − 1 bogen. Dus is S(T ) een onafhankelijke

verzameling vanSym(n) met n− 1 elementen. Volgens de stelling van Whiston

isS(T ) dan een onafhankelijke genererende verzameling van Sym(n).

• Uit s ∈ S(T ) volgt dat hS(T )i = hS(T, ǫ, s)i. Volgens de stelling van

Whis-ton isS(T, ǫ, s) met n− 1 elementen dan ook een onafhankelijke genererende

verzameling vanSym(n).

Bewijs van (1). We tonen aan dat alsS een onafhankelijke genererende verzameling

is vanSym(n), dat er dan een boom T is zodat S = S(T ) of S = S(T, ǫ, s) voor een s∈ S en een functie ǫ

(1.1) Als we de onafhankelijke genererende verzamelingS van Sym(n) indexeren

doorI :={1, . . . , n − 1} krijgen we S := {si|i ∈ I} en kunnen we voor elke i ∈ I de

groepGials volgt definieren :

Gi:=hS \ {si}i.

AangezienS een onafhankelijke genererende verzameling is van G bestaat de

verza-meling groepenV :={Gi|i ∈ I} uit maximale deelgroepen van G. Voor de maximale

deelgroepenH ∈ {Gi| i ∈ I} van G hebben we per definitie 3 mogelijkheden : • H is een intransitieve deelgroep van Sym(n). Merk op dat dit het geval is als

S = S(T ) omdat het weghalen van de boog, geassocieerd aan een transpositie,

de boomT verdeelt in 2 andere bomen.

• H is een transitieve imprimitieve deelgroep van Sym(n). In dit geval is H ≤ 2m: Sym()m met n = 2m.

• H is een primitieve deelgroep van Sym(n). In dit geval is H = Alt(n). Merk

op dat dit het geval is alsS = S(T, ǫ, s) en H =hS \ {s}i en H dus enkel uit

even permutaties bestaat.

(1.2) We bewijzen nu datH ∈ V geen transitieve imprimitieve deelgroep kan zijn

voorn≥ 7.

Stel datH ∈ V een transitieve imprimitieve deelgroep is van Sym(n) dan is : • (1) µ(H) = n − 1 omdat H ∈ V ;

• (2) H ≤ 2m: Smmetn = 2m omdat H een transitieve imprimitieve deelgroep

is vanSym(n) en H ∈ V .

We hebben dan een natuurlijk homomorfismeF : H → Sym(m) met een

• (3) uitH

N= F (H) ≤ Sym(m) en de stelling van Whiston volgt : µ(H

N) = µ(F (H))≤ m − 1

.

• (4) aangezien de actie van H op N niet triviaal is voor |N | ≥ 3 hebben we ook : mH(N ) < m(2m) = m

omdatX1, . . . , Xm de grootste onafhankelijke verzameling is van de abelse groep2mmetX2

1 = . . . = X2

m= 12m.

AangezienN een abelse normaaldeler is van H hebben we : µ(H)≤ µ(H

N) + mH(N )

Uit (1)(3) en (4) volgt dan datµ(HN) = m− 1 en mH(N ) = m− 1 en dus hebben we

wegens de stelling van Whiston dat :

H

N ∼= F (H) = Sym(m).

Per definitie is mH(N ) de orde van de grootste deelverzameling van N waarvan geen

enkel element afhankelijk is van de H-geconjugeerden van de andere elementen van die deelverzameling. In de transitieve imprimitieve actie vanH op de m blokken van

orde 2 waarbijHN = Sym(m) de blokpermutaties zijn is elke bloksgewijze permutatie

op een blok viaSym(m) geconjugeerd aan een bloksgewijze permutatie op een ander

blok. Dit betekent dus :

mH(N )≤ 2.

De betrekkingµ(H)≤ µ(H

N) + mH(N ) wordt dan : 2m− 2 ≤ m − 1 + 2

wat enkel kan voorm ≤ 3 en dus n ≤ 6. Voor n ≥ 7 zijn er dus geen transitieve

imprimitieve groepen inV .

(1.3) UitGi = Alt(n) en Gi = hsj | j 6= ii volgt dat elke sj, metj 6= i, een

even permutatie is. AangezienS een genererende verzameling is van Sym(n) hebben

we datsidan een oneven permutatie moet zijn. Voor elke j 6= i bevat de groep Gj

per definitie de oneven permutatiesi. Dit betekent dat voor elkej 6= i we steeds Gj 6= Alt(n) hebben. Samen met (1.2) volgt hieruit dat voor n ≥ 7 alle groepen Gj, metj6= i intransitief zijn. We kunnen de indexatie dus zo veranderen dat G2, ..., Gn−1

intransitief zijn enG1ofwelAlt(n) ofwel intransitief is.

(1.4) We construeren nu een graafT met toppenverzameling{1, . . . , n} die voor elke

generatorsi, i∈ I een boog eiheeft :

• e1 := {x1, y1} waarbij x1 een willekeurig top is vanT die niet wordt

vastge-houden doorsi. De topy1wordt dan bepaald doory1= xs11 .

• ei:={xi, yi} waarbij de generator sieen puntxiafbeeldt naar een puntyi gele-gen in een andereGi− baan dan de baan die xibevat. Dit kan steeds omdatGi

voori > 1 intransitief is en sidus de enigste generator is, die wegens de transi-tiviteit vanSym(n), 2 elementen uit verschillende Gi-banen moet verbinden.

(1.5) Om te bewijzen datT een boom is moeten we aantonen dat de graaf T

samen-hangend is en geen cykels bevat.

Voor elkej 6= i en i > 1, is sj ∈ Gi, en verbindt de boogej de toppenxj en

yj = xsjj , gelegen in dezelfdeGi-baan. Wegens de constructie verbindt de boogei

2 toppenxi en yi = xsii uit verschillendeGi-banen. Aangezien elkeej metj 6= i

steeds 2 toppen verbindt binnen een zelfdeGi-baan en enkelei2 toppen verbindt uit verschillendeGi-banen, bestaat er in de graafT geen enkele cykel die de boog eibevat. De booge1is dan de enigste boog die rest welke tot een cykel kan behoren. Maar er bestaat geen cykel die 1 enkele boog bevat.

Aangezien de onafhankelijke genererende verzamelingS van Sym(n) volgens de

stelling van Whistonn− 1 elementen bevat, en we voor elk element si∈ S telkens een

boogeihebben meti∈ {1, . . . , n−1} hebben we juist n−1 bogen als voor i 6= j geldt

datei 6= ej. We kunnen aantonen dat voori6= j de verzameling {xi, yi} 6= {xj, yj}

is. Uiti6= j volgt namelijk dat si ∈ Gj en dus ook datxienyi = xsii in een zelfde

Gj-baan liggen. Anderzijds liggenxjenyjin verschillendeGj-banen. OmdatT een

graaf is metn toppen en n− 1 bogen is T een samenhangende graaf.

(1.6) We tonen nu aan dat voor elkei 6= 1 de permutatie si een transpositie, een 3-cykel, of een dubbele transpositie is.

• siis een transpositie⇔ voor elke u /∈ {xi, yi} geldt usi= u;

• siis een 3-cykel⇔ ysii ∈ {x/ i, yi} en voor elke u /∈ {xi, yi, ysii } geldt usi = u; • si is een dubbele transpositie⇔ er bestaan 2 elementen u, v /∈ {xi, yi} met

usi= v en voor elke w /∈ {xi, yi, u, v} geldt wsi = w.

Alsu en v van T op elkaar kunnen worden afgebeeld door een element vanhsii, dan

hebben we 2 mogelijkheden die we in (1.6.1) en (1.6.2) behandelen.

(1.6.1) Eerste geval : u behoort tot de Gi-baan vanxienv behoort tot de Gi-baan vanyi.

In de samenhangende boomT is er een pad van xi naaru en een pad van yinaar v. Als nu in de unie van deze 2 paden een boogej metj 6= 1 voorkomt dan kunnen we xjnaaryjafbeelden door enkel gebruik te maken van elementen vanS\ {sj} ⊆ Gj. Maar dit kan niet wantxj enyj liggen in verschillendeGj-orbieten. Dit betekent dat zowel in het pad vanxi naaru als in het pad van yi naarv enkel de bogen e1 enei

kunnen voorkomen. Aangezien we met 2 samenhangende bogen hoogstens 3 punten van T kunnen verbinden is het duidelijk dat de verzameling{xi, yi, u, v} hoogstens

3 elementen heeft. Verder wordt elk puntw van boom T dat niet tot de verzameling {xi, yi, u, v} behoort door sivastgehouden. Dit is zo omdat de padene1 enei geen nieuwe puntenw en wsi 6= w kunnen bevatten. We bekijken nu alle mogelijke paden

vanu naar xien vanv naar yi:

• e1 = {u, xi} , ei = {xi, yi} en yi = v met ysii = x1. In dit geval issi = (u, xi, yi= v). Aangezien de permutatie s12 punten moet verbinden in dezelfde

sicyclus en in dezelfdeGi-orbiet rest er ons enkels1= (u, xi) = (x1, y1). • si= (x1, y1)(xi, y1) met yi= y1ens1= (x1, y1)

• si= (x1, y1)(x1, yi) met xi= x1ens1= (x1, y1) • si= (x1, y1)(y1, yi) met xi= y1ens1= (x1, y1)

(6.2) Tweede geval :u en v behoren tot dezelfde Gi-baan. In dit geval ise1= (u, v). Dit betreft dus de gevallen :

• si= (xi, yi)(x1, y1) en s1= (x1, y1) • si= (xi, yi) en s1= (x1, y1)

(1.7) Uit het voorgaande volgt dus dats1een transpositie is.

(1.8) Als alle deelgroepenGi, i ∈ I intransitief zijn dan kan men bij de indexering

vanS ={si| i ∈ {1..n − 1}} voor s1elk element uitS kiezen. In dat geval is dus elk

element vanS een transpositie en hebben we : S = S(T )

In het andere geval isG1 = Alt(n) en is s1een transpositie en zijn de andere gene-ratorssi 3-cykels of dubbele transposities van even pariteit. UitS een onafhankelijke

genererende verzameling vanSym(n) volgt dat S:={s1, s1s2, . . . , s1sn−1} een

on-afhankelijke genererende verzameling is vanSym(n) bestaande uit permutaties van

oneven pariteit. Aangezien ook S’ als onafhankelijke genererende verzameling van

Sym(n) enkel transposities, 3-cykels en dubbele transposities kan bevatten, bestaat de

verzamelingSenkel uit transposities. Hieruit volgt dat :

S = S(T, ǫ, s1)

Gevolg 5.1.2. Aantal minimax verzamelingen vanSym(n). • (1) De enige minimax verzameling van Sym(2) is {(12)}

• (2) Voor n 6= 2 zijn er juist nn−1minimax verzamelingen vanSym(n) :

– (2.1)nn−2minimax verzamelingen vanSym(n) welke enkel transposities

bevatten;

– (2.2)nn−2(n−1) minimax verzamelingen van Sym(n) die niet enkel

trans-posities bevatten.

– (2.3) Als we geen onderscheid maken tussen een 3-cykel en zijn invers dan zijn er n2(n− 1)n−3minimax verzamelingen vanSym(n) die niet enkel

transposities bevatten. Bewijs.

(1) Sym(2) bevat enkel de transpositie (12) als niet triviaal element. De verzameling {(12)} is dan ook de enigste minimax verzameling van Sym(2).

(2.1) Volgens de vorige stelling bestaat er een bijectie tussen denn−2bomenT met

toppen in {1, ..., n} en de minimax verzamelingen S(T ) van Sym(n) waarvan alle

elementen transposities zijn. Aangezien ernn−2bomen zijn met toppenverzameling

{1, ..., n} zijn er dus ook nn−2minimax verzamelingen vanSym(n) waarvan de

(2.2) Volgens de vorige stelling bestaat er voor elke minimax verzameling S van Sym(n), welke niet uit enkel transposities bestaat, een boom T en een element s ∈ S(T ) zodat :

S ={s} ∪ {st | t ∈ S(T ) \ {s}} (1)

Elke van denn−2bomenT met toppenverzameling{1, ..., n} geeft ons een unieke

mi-nimax verzameling transpositiesS(T ) van Sym(n). Elk van de n− 1 elementen s van S(T ) geeft ons een unieke minimax verzameling S, die niet enkel transposities bevat

vanSym(n). Dit betekent dat er nn−2(n− 1) minimax verzamelingen van Sym(n)

zijn die niet enkel transposities bevatten.

(2.3) We beschouwen nu al de verzamelingenS(S(T ), ǫ, s) over de verschillende

keuzes van de functieǫ en de verschillende keuzes van de transpositie s als een

iden-tieke minimax verzameling vanSym(n). Voor elke keuze van ǫ hebben we : s−1.S(S(T ), ǫ, s)\ {1} = S \ {s}

Het gezochte aantal wordt dus enkel bepaald door het aantal keuzes van transpositiess

vermenigvuldigt met het aantal bomen metn− 1 toppen : n2(n− 1)n−3.

Gevolg 5.1.3. Voorn≥ 7 is elke onafhankelijke genererende verzameling S = {si | i∈ I} van Sym(n), met |I| = n − 1, sterk onafhankelijk.

Bewijs.

We bewijzen dit voor de 2 mogelijke vormen vanS : • (1) S = S(T ) met T een boom met n toppen.

• (2) S = {s} ∪ {(st)ǫ(t)| t ∈ S(T ) \ {s}} met s ∈ S(T )

(1) We onderzoeken eerst het geval waarbijS = S(T ) met T een boom met n toppen. S bestaat dan enkel uit transposities.

Als we voorsj= (xj, yj)∈ S de boog {xj, yj} verwijderen uit boom T bekomen

we een woudTjbestaande uit 2 bomenTenT′′. Aangezien de verzamelingen toppen vanTenT′′een partitie vormen van de verzameling toppen vanT is het duidelijk dat

elke transpositie uithS(T)i commuteert met elke transpositie uit hS(T′′)i. We hebben

dan ook :

Gj =hsi ∈ S | i 6= ji = hS(T)ihS(T′′)i = Sym(T)× Sym(T′′)

Voor een deelverzamelingJ van I bepaalt TJeen partitie opI door de samenhangende

componenten vanTJ te beschouwen als equivalentieklassen. AlsTJhet woud is dat ontstaat door voor elkesj = (xj, yj) met j ∈ J de boog {xj, yj} uit T te verwijderen

dan volgt per inductie dat :

GJ =hsi∈ S | i /∈ Ji = Sym(T)× . . . × Sym(T′′)

met[T, . . . , T′′] partitie op de toppenverzameling van T . Voor elke J ⊆ I is GJdus het direct product van de symmetrische groepen van de samenhangende componenten van het bosTJ.

Voor 2 deelverzamelingenJ en K van I behoudt een permutatie de partities TJ en

TKenkel en alleen als die permutatie de doorsnede bewaart van elke equivalentieklasse uit de ene partitie met elke equivalentieklasse uit de tweede partitie. Dit betekent :

GJ∩ GKT′∈TJSymT∩ ×T′′∈TKSym(T′′) = ×T′∈TJ,T′′∈TK|T′∩T′′6=∅Sym(T∩ T′′)

AlsTeen samenhangende component is uitTJenT′′een samenhangende compo-nent is uitTKdan is de niet ledige doorsnedeT∩ T′′een samenhangende component vanTJ∪Kwant alsx en y 2 toppen zijn uit T∩ T′′dan is er in boomT een uniek pad

vanx naar y , dat nergens langs takken gelabeld door elementen van J of K, loopt. We

hebben dus : We kunnen dus besluiten datS = S(T ) sterk onafhankelijk is wegens : GJ∩ GKT′∈TJ∪KSym(()T) = GJ∪K

(2) We onderzoeken nu het geval waarbijS(T, s, ǫ) ={s} ∪ {(st)ǫ(t) | t ∈ S(T ) \ {s}} met s ∈ S(T ).

VoorJ ⊆ {2, . . . , n − 1} hebben we :

• GJ∪{1}is de deelgroep van de even permutaties vanGJ.

• GJ =hSJi = hs1, s1si| i /∈ J ∪ {1}i = hsi| i /∈ Ji = hS(T )Ji

En dus voldoen de groepenGJ metJ ⊆ {2, . . . , n − 1} aan de eigenschappen van

paragraaf (1) en hebben we voorJ, K ⊆ {2, . . . , n − 1} : • GJ∩ GK = GJ∪K;

• GJ∪{1}∩ GK = GJ∪K∪{1}want elke even permutatie vanGJ∪K is een even permutatie vanGJdie ook totGK behoort.

• GJ∩ GK∪{1} = GJ∪K∪{1}want elke even permutatie vanGJ∪K is een even permutatie vanGKdie ook totGJbehoort.

• GJ∪{1}∩ GK∪{1} = GJ∪K∪{1} want elke even permutatie vanGJ∪K is een even permutatie vanGKdie ook tot de even permutaties vanGJ behoort. We kunnen dus besluiten datS = S(T, s, ǫ) sterk onafhankelijk is wegens :

GJ∩ GK = GJ∪K

Gevolg 5.1.4. AlsB ≤ Sym(n) en µ(Sym(n), B) = n − 1 ≥ 6 dan is B = {1}.

Bewijs.

Aangezienµ(Sym(n), B) = n− 1 bestaat er een B-relatieve onafhankelijke

gene-rerende verzamelingS ={si| i ∈ I} van Sym(n) met |I| = n−1. Volgens de stelling

van Whiston isS, bestaande uit n− 1 onafhankelijke elementen, een onafhankelijke

Als voor eeni ∈ I met si ={xi, yi} de boog {xi, yi} verwijderen uit de boom T

metS = S(T ) wordt de boom T verdeelt 2 delen. We hebben nu 2 mogelijkheden : • (1) beide delen zijn even groot;

• (2) beide delen zijn niet even groot;

(1) Als voor eeni∈ I de boog eiverwijderen uit de boomT met S = S(T ) wordt

de boomT verdeeld in 2 samenhangende componenten. Als deze 2 componenten van

ongelijke lengte zijn, dan isGi:=hsj | j 6= ii een maximale deelgroep van Sym(n).

AangezienS een B-relatieve onafhankelijk genererende verzameling is van Sym(n)

en Gi = hS \ {si}i hebben we dat si ∈ hB ∪ G/ ii en dus hB ∪ Gii 6= Sym(n).

AangezienGieen maximale verzameling is vanSym(n) hebben we dus : B≤ Gi (1)

(2) Als voor eeni ∈ I de boog ei verwijderen uit de boomT met S = S(T ) dan

wordt de boomT verdeelt in 2 componenten T en T. Als deze componenten van gelijke lengte zijn dan kunnen we in plaats van boogeieen tak (loshangende boog)ej

uit boomT verwijderen zodat Gj = Sym(n− 1). Wegens de B-onafhankelijkheid van

de elementen vanS moet B het n-de punt vasthouden. Dit betekent dat B ⊆ Gj = Sym(n−1). Maar nu is S= S\{sj} een onafhankelijke genererende verzameling van Sym(n−1) met G

i=hS

ii = Gi∩Sym(n−1) en hebben we volgens de argumentatie

uit paragraaf (1) (omdat n-1 nu oneven is) dat :

B⊆ G

i= Gi∩ Sym(n − 1) ⊆ Gi

Dus ook in het geval datGigeen maximale deelgroep is vanSym(n) hebben we : B≤ Gi (2)

(1) en (2) Uit (1) en (2) mogen we besluiten dat :

B≤ ∩n−1i=1Gi= G{1,...,n−1}=h∅i = 1

Opmerking 5.1.5. Via een GAP-programmaatje kan men nagaan dat het verband tus-sen een boom en een minimaxset ook geldt voorn = 2, 3 of 5. Een

minimaxverzame-ling vanSym(6) kan echter ook een product van 3 transposities of 2 3-cykels bevatten.

De minimaxverzameling{(1, 2), (1, 3), (1, 4)(2, 3)} van Sym(4) is de enigste die niet

rechtstreeks overeenkomt met een boomstructuur.