Cayley圖

Cayley圖

在數學中,Cayley圖,即凱萊圖,也叫做凱萊著色圖是編碼離散群的圖。它的定義是凱萊定理(以阿瑟·凱萊命名)所暗含的,並使用這個群的特定的通常有限的生成元集合。它是組合群論與幾何群論的中心工具。

基本介紹

  • 中文名:Cayley圖
  • 外文名:Cayley graph
  • 別稱:凱萊圖
定義,例子,特徵,基本性質,陪集圖,與群論的關係,參見,

定義

假設
,是群而
,是生成集。凱萊圖
,是如下構造的著色的有向圖。
,每個元素
,指派一個頂點:
,的頂點集合
,同一於
。
,的每個生成元
,指派一種顏色
。
對於任何
,對應於元素
,和
,的頂點用顏色
,的有向邊連線。因此邊集合
,由形如
,的有序對構成,帶著
提供的顏色。
在幾何群論中,集合
,通常被假定為有限的、“對稱的”也就是
,並且不包含這個群的單位元。在這種情況下,凱萊圖是正常的圖:它的邊沒有方向並且不包含環路。

例子

假設G=Z是無限循環群而集合S有標準生成元1和它的逆元(用加法符號為−1)構成,則它的凱萊圖是無窮鏈。
圖1.二面體群D4在兩個生成元a和b上的凱萊圖。圖1.二面體群D4在兩個生成元a和b上的凱萊圖。
類似的,如果G=Zn是n階循環群而S由兩個元素構成,G的標準生成元和它的逆元,則凱萊圖是環圖Cn。
群的直積的凱萊圖是對應的凱萊圖的笛卡爾積。因此帶有四個元素(±1, ±1)組成的生成集的阿貝爾群Z的凱萊圖是在平面R上無窮格線,而帶有類似的生成集的直積Zn×Zm的凱萊圖是在環面上n乘m有限格線。
二面體群D4在兩個生成元a和b上的凱萊圖列於右側。紅色箭頭表示左乘元素a。因此元素b是自我逆轉的,表示左乘元素b藍色線是無方向的。因此這個圖是混合的:它有8個頂點,8個有向邊,4個邊。群D4的凱萊表可以從群展示得出:
在對應於集合S= {a,b,a,b}的兩個生成元a,b上的自由群的凱萊圖列出在文章開頭,這裡的e表示單位元。沿著邊向右走表示右乘a,而沿著變向上走表示乘以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-塔斯基悖論的關鍵因素。

特徵

群
通過左乘作用在自身上(參見凱萊定理)。這個作用可以看作
作用在它的凱萊圖上。明顯的,一個元素
映射一個頂點
到頂點
。凱萊圖的邊集合被這個作用所保存:邊
變換成邊
。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的。這導致了凱萊圖的下列特徵:
圖
是群
的凱萊圖,若且唯若它通過圖自同構許可
的簡單傳遞作用(就是保存邊的集合)。
要從一個凱萊圖
恢復群
和生成集
,選擇一個頂點
並標記上這個群的單位元。接著對每個
的頂點
標記上變換
到
的
的唯一元素。產生
為凱萊圖的
的生成元的集合
是毗連到選擇的頂點的頂點的標記的集合。生成集合是有限(這是凱萊圖的共同假定)若且唯若這個圖是局部有限的(就是說每個頂點毗連與有限多個邊)。

基本性質

如果生成集合的成員
是自身的逆元,即
,則它一般被表示為無向邊。
凱萊圖
本質上依賴於生成元的集合
的選擇方式。例如,如果生成集合
有
個元素,則凱萊圖的每個頂點都有
個進入和
個外出的有向邊。在有
個元素的對稱生成集合
的情況下,凱萊圖是
度的正則圖。
在凱萊圖中的環(“閉合路徑”)指示在
的兩個元素之間的關係。在群的凱萊復形的更精細構造中,對應於關係的閉合路徑被用多邊形“填充”。
如果
是滿射群同態並且
的生成集合
的元素的像是不同的,則它引發一個圖的覆蓋
這裡的
。
特別是,如果群
有
個生成元,都有不是2的階,並且這些生成元和它們的逆元構成集合
,則凱萊圖
由對應於在相同生成集合的自由群的
度無限正則樹所覆蓋。
圖
可以被構造即使集合
不生成群
。但是,它是連通的並不被認為是凱萊圖。在這種情況下,這個圖的每個連通部件表示一個
生成子群的陪集。
對於被認為是無向的凱萊圖,頂點連通性等於這個圖的度。

陪集圖

如果轉而把頂點作為固定子群
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

研究圖的鄰接矩陣特別是套用譜圖理論的定理能洞察群的結構。

參見

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