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写像12相

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組合せ論において、写像12相(しゃぞうじゅうにそう、英: twelvefold way)とは、有限集合の間の写像の数え上げ問題を、12種に、体系的に分類したものである。

順列、組合せ、多重集合、集合の分割、自然数の分割の数を求める古典的な数え上げ問題を含む。

12種類に分類するというアイデアは、数学者・哲学者であるジャン・カルロ・ロタによって与えられた。

有限集合 N と X、それらの濃度 と を定める。

ここで考えたい一般的な問題は、写像 の同値類の数え上げである。

写像 f に、次の3つの条件のいずれかを適用する:

  1. 条件なし:f は N を X の任意の b に写さなくても(写しても)よい。また、ある b に、N の複数の a を写してもよい。
  2. f は単射である:f が写した X の値 f(a) は、互いに異なる。言い換えると、f は、X のどの b にも複数回写すことはない(高々 1回である)。
  3. f は全射である:f は N を X の全ての b に写す。言い換えると、f は、X のどの b にも N から写している。

(条件2. かつ 3. の場合は「f は全単射である」となる。これは n = x の場合のみ成立可能である。)

写像 f に、4種類の同値関係が定義される:

  1. 等しい
  2. N の置換による違いを除いて、等しい
  3. X の置換による違いを除いて、等しい
  4. N および X の置換による違いを除いて、等しい

結局、写像 f に適用する条件は、上記の3条件と4つの同値関係の、3 × 4 = 12通りがある。

写像の同値類を数え上げる12種の問題は、各々は同じ難易度ではなく、また、これらを統一的に解く方法は知られていない。12種の問題のうち、2つの問題は自明(同値類の数は0または1)であり、5つの問題は解が n, x の乗法的な公式で与えられる。残る5つの問題は、組合せに関わりのある関数(スターリング数、分割数など)によって解が与えられる。

観点

写像12相における問題を考えるにあたり、集合と写像による現代数学の記法を身近で具体的な例(またはいくつかの同様の視覚化)に置き換えて説明し理解することができる。

球と箱

伝統的に、写像12相での問題の多くは、「有限個の球全てを有限個の箱にどのように入れるか」といったモデルで説明されてきた。集合 N を有限個の球からなる集合、集合 X を有限個の箱からなる集合とし、写像 ƒ : N → X は、それぞれの球 a を箱 ƒ(a) に入れる操作に置き換えて考えることができる。

f が単射であることは、「箱に入る球は1個だけ」、f が全射であることは「箱には必ず球を入れる」に対応する。

N の置換による違いを同一視するのは「球を区別しない」、X の置換による違いを同一視するのは「箱を区別しない」に対応する。

公式

関連項目

外部リンク

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