Permutationsgruppe

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In der Gruppentheorie nennt man eine Gruppe von Permutationen einer endlichen Menge M mit der Hintereinanderausführung als Gruppenverknüpfung Permutationsgruppe. Die Gruppe aller Permutationen von M nennt man ihre symmetrische Gruppe S(M). Die Permutationsgruppen sind in diesem Sinne genau die Untergruppen der symmetrischen Gruppen.

Nach dem Satz von Cayley ist jede endliche Gruppe zu einer Untergruppe der symmetrischen Gruppe, also zu einer Permutationsgruppe isomorph. Insofern „ist“ jede endliche Gruppe eine Permutationsgruppe. Sieht man die endliche Gruppe G als abstrakte algebraische Struktur an, dann sagt man daher genauer: G operiert als Permutationsgruppe auf der Menge M. Damit wird deutlich, dass es sich bei dieser treuen Permutationsdarstellung um eine eindeutige Beschreibung der Gruppenstruktur handelt, neben der auch andere Beschreibungen möglich sind.

Definitionen[Bearbeiten]

Definition durch eine Gruppenoperation[Bearbeiten]

Sei (G,\cdot) eine Gruppe mit dem neutralen Element e. G operiert genau dann als Permutationsgruppe auf M, wenn gilt:[1]

  1. M ist eine endliche Menge.
  2. G operiert auf M, das bedeutet, dass eine Abbildung G\times M\rightarrow M, (g,m)\mapsto g\circ m\in M existiert, die den Regeln e\circ m=m, (g\cdot h)\circ m= g\circ (h\circ m) für alle m\in M;\;g,h\in G gehorcht.
  3. Die Operation \circ ist treu (engl.: faithful[2]), das heißt, es gilt: Ist g\circ m = h\circ m für alle m\in M, dann folgt g=h. Oder es gilt gleichwertig: g\circ m = m für alle m\in M, dann folgt g=e.

Eine Gruppenoperation, die nur die 2. und 3. Bedingung erfüllt, heißt treu. G operiert also genau dann als Permutationsgruppe auf M, wenn die Operation treu und M endlich ist. Ein Gruppenoperation, die nur die 1. und 2. Bedingung erfüllt, wird als Permutationsdarstellung (engl.: permutation representation[2]) von G bezeichnet. G operiert also genau dann als Permutationsgruppe auf M, wenn die Gruppenoperation eine treue Permutationsdarstellung ist.

Definition durch einen Gruppenhomomorphismus[Bearbeiten]

Gleichwertige Beschreibung:[2] G operiert genau dann als Permutationsgruppe auf M, falls M eine endliche Menge ist und ein injektiver Gruppenhomomorphismus \phi: G\rightarrow S(M) existiert. Dabei ist S(M)=\{\alpha\in M^M:\; \alpha\;\text{ist bijektiv}\}, also die Menge aller bijektiven Selbstabbildungen der Menge M. Bei dieser Beschreibung ist die Operation \circ aus der ersten Definition durch g\circ m= (\phi(g))(m) gegeben, die Forderung der Injektivität ist gleichwertig zur Forderung, dass die Operation treu sei.

Man beachte, dass bei den hier genannten Definitionen für eine Permutationsgruppe nicht gesondert gefordert werden muss, dass die Gruppe G endlich sei; dies ergibt sich aus der Endlichkeit von M.

Isomorphie als Permutationsgruppen[Bearbeiten]

Für zwei Gruppen G und H, die auf zwei endlichen Mengen M bzw. N als Permutationsgruppen operieren, wird eine Verschärfung des Isomorphiebegriffs definiert: G und H heißen isomorph als Permutationsgruppen genau dann, wenn ein Gruppenisomorphismus \sigma: G\rightarrow H und eine Bijektion \psi: M\rightarrow N existiert, so dass \psi(g\circ m)= (\sigma(g))\circ \psi(m) für alle g\in G, m\in M gilt. Man kann zeigen, dass zwei Gruppen G und H, die auf derselben Menge M=N=\{1,2,\ldots,n\} treu operieren, genau dann als Permutationsgruppen isomorph sind, wenn ihre durch die Gruppenoperationen bestimmten Bildgruppen \phi_1(G), \phi_2(H)<S_n in der symmetrischen Gruppe S_n konjugierte Untergruppen sind, das heißt, wenn sie durch Konjugation mit einem festen Gruppenelement aufeinander abgebildet werden können.

Semiregulär und regulär[Bearbeiten]

  • Wenn G auf M als Permutationsgruppe operiert, wird diese Operation genau dann semiregulär und G semireguläre Permutationsgruppe genannt,[3] wenn das einzige Element von G, das irgendein Element von M fixiert, das Einselement von G ist. Formal: \left(\exist m\in M: g\circ m=m\right)\Rightarrow g=e.
  • Die Operation heißt genau dann regulär und man nennt G genau dann eine reguläre Permutationsgruppe auf M, wenn die Operation semiregulär und transitiv ist. Die Operation heißt transitiv, wenn jedes Element von M durch die Operation auf jedes beliebige andere Element von M abgebildet werden kann. Formal: \forall m,n\in M \exist g\in G: g\circ m= n. Siehe zu weiteren möglichen Transitivitätseigenschaften einer Permutationsgruppe Gruppenoperation#Transitive Gruppenoperation.
Wortgleich, aber mit Bedeutungsunterschied!

In dem Begriff (links-)reguläre Darstellung und auch in dem auf Gruppen spezialisierten Sinn dieses Wortes, wie er im Artikel Satz von Cayley beschrieben ist, beschreibt regulär als Homonym eine Eigenschaft, die die hier beschriebene weder spezialisiert noch verallgemeinert! Die in Satz von Caily beschriebene „spezielle reguläre Darstellung“, bei der die Gruppe via Linksmutiplikation auf sich selbst operiert ist tatsächlich – vielleicht eher zufällig – eine aber im Allgemeinen nicht die einzige „reguläre Permutationsdarstellung“ der Gruppe. Dieser Spezialfall wird bei den Beispielen in diesem Artikel erläutert.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Die in diesem Abschnitt beschriebenen Eigenschaften finden sich in dem Lehrbuch Design Theory, das in der Literatur genannt ist.[4] Triviale Eigenschaften werden hier oder im Abschnitt Beispiele und Gegenbeispiele in diesem Artikel demonstriert.

  • Jede endliche Gruppe lässt eine Darstellung als reguläre Permutationsgruppe zu. Eine solche Darstellung ist durch die „Linksmultiplikation“ der Gruppe auf sich gegeben, siehe bei den Beispielen.
  • Für jede endliche Gruppe kann auf jeder beliebigen endlichen Menge M eine Permutationsdarstellung als Gruppenoperation erklärt werden, man wähle etwa die triviale Operation \circ:G\times M \rightarrow M: g\circ m:=m. Eine treue Permutationsdarstellung erfordert jedoch eine von der Gruppenstruktur abhängige Mindestanzahl m an Elementen. Dann existiert für jede natürliche Zahl n, die nicht kleiner als m ist, eine treue Permutationsdarstellung auf jeder Menge mit n Elementen.
→ In Satz von Cayley#Minimale Permutationsdarstellungen, gemeint sind damit dort minimale reguläre Darstellungen als Permutationsgruppe im Sprachgebrauch des vorliegenden Artikels, wird die Frage nach der Größe von m=m(G) vertieft.
  • Sei G eine Gruppe, H<G eine Untergruppe. Wenn G auf M als Permutationsgruppe operiert, dann operiert auch H über die auf diese Untergruppe eingeschränkte Operation als Permutationsgruppe auf M.
  • Ist die Operation von H transitiv, dann ist es auch die von G, umgekehrt kann die Operation von G transitiv sein, die eingeschränkte von H aber nicht.
  • Ist dagegen die Operation von G semiregulär, dann ist es ebenso die von H, auch hier muss die Umkehrung nicht gelten.

Beispiele und Gegenbeispiele[Bearbeiten]

Die Ideen zu den in diesem Abschnitt genannten Beispiele finden sich dem Sinne nach in dem Lehrbuch Design Theory, das in der Literatur genannt ist.[4]

  • Jede endliche Gruppe (G, \cdot) operiert auf sich selbst (M=G) durch die Linksmultiplikation G\times M\rightarrow M: g\circ m:=g\cdot m. Diese Operation ist treu und semiregulär (wegen der Kürzungsregel für Gruppen) und transitiv, also operiert jede endliche Gruppe via Linksmultiplikation als reguläre Permutationsgruppe auf der Menge ihrer Elemente und ist damit isomorph zu einer transitiven Untergruppe der symmetrischen Gruppe S_n, wenn G n Elemente enthält. Die Rechtsmultiplikation führt im Allgemeinen zu einer anderen Einbettung der Gruppe in S_n, außerdem muss dafür die Gruppenverknüpfung umgekehrt werden: G\times M\rightarrow M: g\circ m:= m\cdot g, G^{\mathrm{op}}: h\cdot^{\mathrm{op}} g:=g\cdot h, (g,h\in G), damit die Rechtsmultiplikation den oben genannten Regeln (2.) für eine Operation von links genügt oder die Regeln müssen für eine Operation von rechts sinngemäß umformuliert werden.
  • Die zyklische Restklassengruppe (\Z / n\Z,+)\cong (C_n,\cdot), n\geq 2 operiert regulär durch die Linksaddition g\circ m:=g+m auf sich selbst und in der gleichen Weise auf den Resten M=\{0,1,2,\ldots, n-1\}.
  • Die symmetrische Gruppe S_n auf n Elementen operiert in ihrer Ausgangsdarstellung auf M=\{1,2,..n\} treu und transitiv, aber nur für n\leq 2 semiregulär. Auf sich selbst operiert sie aber mit der Linksmultiplikation als reguläre Permutationsgruppe.
  • Eine endliche Gruppe G operiert auf sich selbst auch durch Konjugation g\circ m:=g\cdot m\cdot g^{-1}. Diese Operation ist aber im Allgemeinen nicht treu. Jede endliche, nichtkommutative, einfache Gruppe operiert jedoch via Konjugation als Permutationsgruppe (also treu) auf sich selbst.
  • Die lineare Gruppe G=\mathrm{GL}(n,q) (n\geq 2, q=p^r>1 Primzahlpotenz) operiert als Permutationsgruppe auf M=(\mathbb{F}_q)^n. M ist die endliche Menge der Vektoren in dem n-dimensionalen Vektorraum über dem endlichen Körper \mathbb{F}_q mit q Elementen. Die Operation ist transitiv auf N=M\setminus \{ 0\}, aber im Allgemeinen nicht semiregulär.
  • Ist M<(\mathbb{F}_q)^n ein echter linearer Teilraum von (\mathbb{F}_q)^n, q,n>1 und H<G=\mathrm{GL}(n,q) die Untergruppe, die M als Ganzes auf sich selbst abbildet, dann operiert H transitiv, aber nicht als Permutationsgruppe auf N=M\setminus \{ 0 \}, denn die Operation ist nicht treu. Dagegen operiert die Faktorgruppe H/U, wobei U=\{ u\in H: \forall m\in M: u (m)=m\} die Untergruppe von G und U ist, die jedes einzelne Element von N fixiert, in natürlicher Weise transitiv als Permutationsgruppe auf N.
  • Für einen unendlichen Körper K (zum Beispiel K=\R) operiert \mathrm{GL}(n,K), (n\geq 2) zwar treu und transitiv, aber nicht als Permutationsgruppe auf N=K^n\setminus\{ 0\}, denn N ist nicht endlich.
  • Sei V_4=\{ e, (1 2)(3 4), (1 3)(2 4), (1 4)(2 3)\} die Kleinsche Vierergruppe als Untergruppe der symmetrischen Gruppe S_4. V_4 operiert als reguläre Permutationsgruppe auf M=\{1,2,3,4\}.
  • Die Gruppe S_4 enthält 3 weitere, zu V_4 isomorphe Untergruppen, z.B. U=\{e,(1 3),(2 4),(1 3)(2 4)\}. Da V_4, wie hier definiert, semiregulär auf M operiert, U dagegen nicht und weil die Bahn von 1 bei der Operation von U nur zwei Elemente enthält, sind die beiden Untergruppen nicht als Permutationsgruppen auf M isomorph. Dagegen ist U zu den anderen beiden (von V_4 verschiedenen!) Gruppen, die von zwei disjunkten Transpositionen erzeugt werden, isomorph als Permutationsgruppe.
  • Die Untergruppe H=V_4 ist wie G=S_4 transitiv, aber G ist im Gegensatz zu H nicht semiregulär.
  • Die zyklische Gruppe mit 6 Elementen G \cong C_6\cong C_2\times C_3 operiert als reguläre Permutationsgruppe via Linksmultiplikation auf sich selbst, das entspricht ihrer üblichen Permutationsdarstellung G\cong <\xi=(1 2 3 4 5 6)> auf M=\{1,2,3,4,5,6\}. Sie operiert aber auch als Permutationsgruppe G\cong <(1 2) (3 4 5)> auf der Menge N=\{1,2,3,4,5\}>, hier aber nicht transitiv und nicht semiregulär. Die Zahl m=5 ist für diese Gruppe die Mindestmächtigkeit für eine Menge, auf der G als Permutationsgruppe operiert. Die eingeschränkte Operation von H\cong <\xi^3=(14)(25)(36)> ist semiregulär, aber nicht transitiv.
  • Die zyklische Gruppe mit 3 Elementen H\cong  C_3 operiert regulär auf M=\{1,2,3 \}, ihre Permutationsdarstellung kann als Einschränkung der Operation der symmetrischen Gruppe G=S_3, deren Untergruppe H ist, angesehen werden. Aber G operiert auf M zwar transitiv, aber nicht semiregulär.

Endliche Symmetriegruppen[Bearbeiten]

In der Geometrie treten viele Gruppen auf, die dadurch definiert sind, dass sie eine geometrische Figur als Ganzes auf sich abbilden. Zum Beispiel ist die Gruppe der Bewegungen des dreidimensionalen Anschauungsraums, die den Einheitswürfel (aufgespannt von den drei Standardbasisvektoren) als Ganzes auf sich abbilden, eine typische Symmetriegruppe.

  • Die Symmetriegruppe eines (nichtentarteten[5]) Polyeders im Anschauungsraum operiert als Permutationsgruppe auf der (endlichen!) Menge der Eckpunkte des Polyeders.
  • Die Symmetriegruppe G einer Kugel im Anschauungsraum operiert transitiv auf der Menge M der Punkte auf der Kugeloberfläche, aber auf keiner Menge N\subseteq M als Permutationsgruppe: Weil die Operation auf M transitiv ist, lässt sie sich nicht für die ganze Symmetriegruppe G auf eine endliche Punktmenge N beschränken. Dagegen kann die Symmetriegruppe des Einheitswürfels als Untergruppe von G aufgefasst werden, wenn man als Kugel die dem Würfel umbeschriebene Kugel wählt, also die Kugel durch alle Eckpunkte des Würfels.
  • Die Symmetriegruppe eines gleichseitigen Dreiecks in der reellen Ebene operiert als transitive Permutationsgruppe, aber nicht semiregulär auf der Menge der Eckpunkte des Dreiecks.
  • Allgemeiner operiert die Symmetriegruppe G eines regelmäßigen n-Ecks n\geq 3 in der Ebene als transitive, nicht semireguläre Permutationsgruppe auf der Menge \{1,2,\ldots n\} der Eckpunkte des n-Ecks. Diese Beschreibung kann für n\geq 3 als Definition der Diedergruppe G=D_n (als Untergruppe der symmetrischen Gruppe S_n) benutzt werden.
  • Die Symmetriegruppe einer Strecke auf der reellen Geraden (also eines reellen Intervalls [a,b], a<b) operiert als reguläre Permutationsgruppe auf deren Randpunkten. Sie ist die zweielementige Gruppe \{e,s\}, wobei s die Spiegelung der Geraden an der Intervallmitte (a+b)/2 ist.
  • Dagegen operiert die Symmetriegruppe H (im oben beschrieben Sinn) einer Strecke im dreidimensionalen Raum nicht treu und daher nicht als Permutationsgruppe auf den Randpunkten der Strecke. Diese Gruppe ist sogar unendlich – man beachte die Drehungen, bei denen die Strecke auf der Achse liegt! Wie in dem Beispiel eines linearen Unterraums in einem endlichen Vektorraum weiter oben muss man zu der Faktorgruppe H/U nach der Untergruppe U der Bewegungen, die jeden Punkt der Strecke auf sich abbilden, übergehen. Damit gelangt man wieder zu einer Gruppe, die zu der im vorigen Beispiel genannten Gruppe isomorph ist. Oft wird diese kanonische Faktorgruppe dann als die Symmetriegruppe (hier: der Strecke) bezeichnet.

Automorphismengruppen endlicher Strukturen[Bearbeiten]

Die strukturerhaltenden, bijektiven Selbstabbildungen endlicher Strukturen, zum Beispiel der endlichen Inzidenzstrukturen, wie der Blockpläne, der endlichen projektiven Ebenen usw. operieren als Permutationsgruppen auf der endlichen Menge M der „Elemente“ der Struktur (für Inzidenzstrukturen M=\mathfrak{p}\cup\mathfrak{B}, also die Menge der „Punkte“ zusammen mit der Menge der „Blöcke“). In den wichtigen Fällen, etwa für alle einfachen Blockpläne (also auch für alle „klassischen“ endlichen Geometrien), genügt es, als Menge die Punkt- oder die Blockmenge zu verwenden, da die Automorphismengruppen bereits auf wenigstens einer dieser Mengen treu operiert. Meist wird die Punktmenge verwendet. Die Gruppe aller strukturerhaltenden, bijektiven Selbstabbildungen der Struktur \mathcal{I} wird als volle Automorphismengruppe \mathrm{Aut}(\mathcal{I}) der Struktur, jede ihrer Untergruppen als Automorphismengruppe bezeichnet. Nach Konstruktion operieren diese Gruppen als Permutationsgruppen auf der Menge der Strukturelemente, in den angesprochenen wichtigsten Fällen bereits auf der Punktmenge.

  • Die endliche einfache Gruppe \mathrm{PGL}(3,2) operiert als Permutations- und volle Automorphismengruppe transitiv, aber nicht regulär auf der projektiven Fano-Ebene PG(2,2), d.h. konkret auf der Menge ihrer 7 Punkte. Im Artikel Fano-Ebene ist die Struktur dieser Gruppe und die hier beschriebene treue Permutationsdarstellung als Untergruppe der alternierenden Gruppe A_7 ausführlich dargestellt.
  • Die 5 sporadischen Mathieugruppen operieren als Permutations- und volle Automorhismengruppen auf jeweils einem ihnen zugeordneten Wittschen Blockplan - auch hier genügt die Punktmenge für die eindeutige Beschreibung.
  • Ein etwas gekünsteltes Beispiel einer Inzidenzstruktur, bei der die volle Automorphismengruppe weder auf der Punkt- noch auf der Blockmenge allein als Permutationsgruppe operiert, ist  \mathcal{I}=(\mathfrak{p},\mathfrak{B},I) mit den Mengen \mathfrak{p} = \{p_1,p_2\},\; \mathfrak{B}=\{B_1, B_2\}, \;I=\emptyset,\; \mathcal{I}=(\mathfrak{p},\mathfrak{B}, I). Hier ist die Automorphismengruppe das Erzeugnis G=\mathrm{Aut}(\mathcal{I})=<(p_1 p_2),(B_1 B_2) >, also ist G isomorph zur Kleinschen Vierergruppe G\cong C_2\times C_2. Aber G operiert weder auf der Punkt- noch auf der Blockmenge treu! Die gleichen Aussagen gelten, wenn man für diese Punkt- und Blockmenge die Inzidenz statt durch I=\emptyset durch I'=\mathfrak{p}\times \mathfrak{B} definiert.

Siehe auch[Bearbeiten]

→ Siehe für weitere Möglichkeiten, eine endliche Gruppe zu beschreiben, den Artikel Darstellungstheorie (Gruppentheorie)

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Artin (1993)
  2. a b c Beth, Jungnickel, Lenz, Definition III.3.1
  3. Beth, Jungnickel, Lenz, Definition III.3.8: engl.: semiregular permutation group
  4. a b Beth, Jungnickel, Lenz
  5. Das bedeutet hier: Keine drei Eckpunkte liegen auf derselben Geraden und die Menge aller Eckpunkte liegt nicht in einer gemeinsamen Ebene