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  • 1 # 使用者8391795956327

    這裡有個我覺得挺簡潔但又很神奇的證明,用到的工具只有排列的逆序數。發現者是 19 世紀的俄國數學家 Zolotarev. 可以簡要說說。

    如果有 個字母的一個排列 ,它總可以寫成一串對換的乘積,寫法有很多,但用到的對換的個數的奇偶性是不變的,所以可以定義 的符號 ,用到偶數個對換的時候符號是 1,用到奇數個對換的時候符號是 -1.

    符號是一個同態:如果有兩個排列 , 則

    他們乘積的符號等於符號的乘積:

    證明的思路很神奇,找兩個排列 使得他們的符號分別是 , 然後乘積的符號是 ,就成了。

    對於兩個奇素數 , 取 個字母,填入 的方格內。

    比如 的情形,可以按從左到右從上到下的順序填入 0-9a-e 十五個字母。

    沿著對角線撿起來,再橫著填到填入一個 的方格,則得到了 0-9a-e 的一個排列 .

    這裡的對角線是貪食蛇模式,如果碰到了底部就從上面繼續,碰到了右邊就從左邊繼續。這個排列的意思就是 0 -> 0, 1 -> 6, 2 -> c, 3 -> 3, 4 -> 9, ...

    現在把這 的方格的內容橫著撿起來(0 6 c 3 9 a 1 7 d 4 5 b 2 8 e),按從左到右從上到下的順序填入一個 的方格

    這一步沒有重排字母(恆同對映),只是為下一步做個準備。

    現在在 的方格里橫著撿起來,沿對角線填入

    這是另一個排列 . 這次排列以後的結果很有意思,0 1 2 3 4 變成豎著寫的了:所以 的複合,相當於 “轉置” 了原來的方格(在 3 x 5 的方格里沿對角線撿起來,橫著放下去,再橫著撿起來,沿著對角線放到 5 x 3 的方格里去,中間兩項一抵消,剩下的當然就是轉置)

    注意轉置不是平凡的排列,是把 01234... 分別變成 05a16...

    下面來計算這幾個排列的符號。

    轉置的比較好算:要把

    “恢復” 成 0123456789abcde 需要幾個對換?計算“恢復”每個字母位置對符號帶來的貢獻就行——要把 1 放到 0 的後面,需要越過 5 和 a, 兩個對換,因為我們只關心奇偶性,所以無貢獻。要把 2 放到 1 的後面,需要越過 5, a, 6, b, 總共 4 個對換,也無貢獻。可以看出 0 1 2 3 4 歸位都是無貢獻的。5 也沒有,6 就比較有趣了,只需要越過 a, 貢獻了一個 -1. 7 呢?7 每往上移動一行貢獻一個 -1, 但是需要往上移動兩行,所以 無貢獻。8 貢獻了 ,9 貢獻了 ...

    一般地如果寫成 的方格,

    只有標 "o" 的地方能給出 -1 的因子(每個 o 需要越過奇數個字母奇數次),所以轉置的符號是. 這裡就有點二次互反律的影子了。

    那麼

    的符號怎麼計算呢?計算這個才是寫成 方格的原因——沿著對角線重寫的時候,可以觀察到,每個字母所在的列都沒有變化,只是行變了,所以 其實是五個置換的乘積(每個對應一列),而且我們可以透過 “旋轉密碼鎖” 的方式(每次旋轉不改變符號),看出 和下面這個置換有相同的符號

    而這個東西的符號,其實就是第一列那個置換的符號的五次方——等於第一列那個置換的符號。

    而第一列那個置換,可以證明,就是 “乘以5” 在 上定義的置換。也就是說, 的符號就是 “乘以5” 在 上的置換的符號。

    同理, 的符號就是 “乘以3” 在 上的置換的符號。

    一般地對於 , 把 “乘以 m” 在 上的置換的符號,記作 的話,我們已經證明了

    接下來只需說明 ,而這並不難—— 是素數的時候 都是 到 的滿同態(不是完全顯然的,想想為什麼是同態,為什麼滿),而這樣的同態只有一個,所以他們一定相等。這就贏了。

    我不知道這個證明是怎麼想出來的,但是證明本身似乎比數格點之類的證明好懂一點,也難忘一點。把一個群 ({±1}) 裡的一個等式(用同態)提升到某個複雜點(所以更有資訊量)的群 (S_n) 裡證明出來,很好用,也很需要創造力。

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