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coloración con un grupo diedro $D_n$ con n primo

Necesito averiguar cuántas coloraciones diferentes se pueden hacer con 2 colores en un grupo diedro $D_n$ con $n$ primo y $m$ negro y $p-m$ cuentas blancas. Así que primero calculo el índice de ciclo: El índice de ciclo de un grupo diedro con $n$ prime (impar) es igual a: $$Z(D_n) = \frac{1}{2}(\frac{1}{n}a_1^n + \frac{(n-1)}{n}a_n + a_1a_2^\frac{n-1}{2})$$ Ahora relleno: $$a_1 = (b+w), a_2 = (b^2 + w^2), a_n = (b^n + w^n)$$ Después de eso, encuentro el número antes del $b^mw^{p-m}$ y es la cantidad de colorantes diferentes con $m$ negro y $p-m$ cuentas blancas. Pero, ¿existe una fórmula general para hallar ese número?

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Marko Riedel Puntos 19255

Índice de ciclo.

$$Z(D_p) = \frac{1}{2p} \left(a_1^{p} + (p-1) a_p + p a_1 a_2^{(p-1)/2}\right)$$

Estamos interesados en

$$[B^m W^{p-m}] Z(D_p; B+W).$$

Tiene tres componentes.

Primer componente.

$$[B^m W^{p-m}] \frac{1}{2p} (B+W)^p = \frac{1}{2p} {p\choose m}.$$

Segundo componente.

$$[B^m W^{p-m}] \frac{p-1}{2p} (B^p+W^p).$$

Esto es usando un soporte Iverson:

$$\frac{p-1}{2p} [[m=0 \lor m=p]].$$

Tercer componente.

$$[B^m W^{p-m}] \frac{1}{2} (B+W) (B^2+W^2)^{(p-1)/2}.$$

Ahora con $p$ primera no podemos tener ambas $m$ y $p-m$ incluso, o ambos impar, por lo que uno es impar y el otro par. Suponiendo que $m$ es impar obtenemos

$$[B^{m-1} W^{p-m}] \frac{1}{2} (B^2+W^2)^{(p-1)/2} \\ = [B^{(m-1)/2} W^{(p-m)/2}] \frac{1}{2} (B+W)^{(p-1)/2} = \frac{1}{2} {(p-1)/2 \choose (m-1)/2}.$$

Alternativamente, si $p-m$ es impar obtenemos

$$[B^{m} W^{p-m-1}] \frac{1}{2} (B^2+W^2)^{(p-1)/2} \\ = [B^{m/2} W^{(p-m-1)/2}] \frac{1}{2} (B+W)^{(p-1)/2} = \frac{1}{2} {(p-1)/2 \choose m/2}.$$

Forma cerrada.

$$\bbox[5px,border:2px solid #00A000]{ \frac{1}{2p} {p\choose m} + \frac{p-1}{2p} [[m=0 \lor m=p]] + \frac{1}{2} {(p-1)/2 \choose (m-[[m \;\text{odd}]])/2}.}$$

Comprobación de cordura.

Con una coloración monocroma deberíamos obtener una como respuesta, y encontramos para $m=0$ ( $B^0 W^p = W^p$ )

$$\frac{1}{2p} {p\choose 0} + \frac{p-1}{2p} + \frac{1}{2} {(p-1)/2 \choose 0} = \frac{p}{2p} + \frac{1}{2} = 1.$$

Del mismo modo obtenemos para $m=p$ ( $B^p W^0 = B^p$ )

$$\frac{1}{2p} {p\choose p} + \frac{p-1}{2p} + \frac{1}{2} {(p-1)/2 \choose (p-1)/2} = \frac{p}{2p} + \frac{1}{2} = 1.$$

La comprobación de cordura pasa. Otra comprobación de cordura es $m=1$ o $m=p-1$ que también debería dar una coloración. Encontramos

$$\frac{1}{2p} {p\choose 1} + \frac{1}{2} {(p-1)/2\choose 0} = 1$$

y

$$\frac{1}{2p} {p\choose p-1} + \frac{1}{2} {(p-1)/2\choose (p-1)/2} = 1.$$

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Genial, gracias. Pero ¿por qué rellenar por el tercer componente $m-1$ y $p-m-1$ ? ¿Por qué el $-1$ ?

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El término delante $(B+W)$ que corresponde a $a_1$ absorbe una potencia de $B$ o $W$ .

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