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Número de maneras de hacer una pulsera con cuentas de n y m colores

Yo era la solución de un problema en el Arte de la Resolución de problemas del sitio web que se planteó como este:

De cuántas maneras puede el $7$ a los radios de una rueda de estar pintado de tal manera que cada uno habló puede ser rojo, verde o azul?

Otro usuario y me fueron resolver el problema juntos, y resulta que la respuesta es $315$. Si hacemos una lista de las $7$ radios en cierto orden, hay $3^7 $ formas de colorear cada rayo. Restando las tres combinaciones donde todos los radios son del mismo color, obtenemos $3^7-3$. Para eliminar los duplicados (combinaciones que son indistinguibles en virtud de la rotación de la rueda), divida por $7$ debido a que cada una de las restantes combinaciones son un duplicado de $6$ otros. Por último añadir los tres combinaciones donde todos los radios son del mismo color para conseguir $\frac{3^7-3}{7}+3 = 315$.

Mi pregunta es, ¿es posible generalizar este problema para $n$ radios y $m$ colores? Me doy cuenta de que si $n$ es primo, entonces la fórmula es $\frac{m^n-m}{n}+m$.

Por favor, disculpe la terrible redacción y explicación. Esos no son mis puntos fuertes. Si usted necesita más aclaración, no dude en preguntar en los comentarios.

Gracias,

La Tortuga

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M47145 Puntos 58

La respuesta a tu pregunta es: ¡Sí! Es posible generalizar este a $n$ radios y $m$ colores.

Este tipo de colorante problema, donde los colorantes que se consideran iguales si son simétricas entre sí (a través de la rotación, reflexión, etc), puede ser resuelto usando generalmente Polya la Enumeración Teorema. Aquí hay un enlace al artículo de la Wikipedia si usted está interesado.

Básicamente lo que hace es proporciona un método para encontrar el número de equivalentes $m$-colorantes de $n$ objetos bajo cualquier grupo de simetrías $G$ que actúa sobre el $n$ objetos. En las radios/collar/pulsera de problema que usted ha mencionado el grupo en cuestión sería el grupo cíclico $C_n$ actuando en $n$ radios. Sin entrar en todos los detalles, Polya la Enumeración Teorema da la siguiente fórmula general para el número de $m$-colorantes de $n$ radios:

$$\frac{1}{n} \sum_{d|n} \phi(d)m^{n/d} $$

donde $\phi$ denota la phi de Euler de la función y la suma se toma sobre entero positivo divisores $d$$n$.

Así que el trabajo de su ejemplo del uso de esta fórmula, tenemos $m=3$$n=7$. La fórmula se obtiene: $$\frac{1}{7} \sum_{d|7} \phi(d)3^{7/d} = \frac{1}{7}(3^7+6\cdot 3^1)=\frac{2205}{7}=315$$

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