Rubikin kuutio ja ryhmäteoria

Transkriptio

1 Rubikin kuutio ja ryhmäteoria Pro Gradu -tutkielma Jani Luokkanen Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Syksy 2018

2 Sisältö Johdanto 2 1 Ryhmäteoria Perusteet Erilaisia ryhmiä Isomorsmit Ryhmien välisiä operaatioita Suora tulo ja ryhmän toiminta Kranssitulo Rubikin kuutio Kuution rakenne Kääntöjen ryhmä Rubikin kuution yleinen ryhmä Reunapalat Kulmapalat Yleisen ryhmän rakenne Yleisen ryhmän ketjutusoperaatio Rubikin kuution ratkeava ryhmä x2x2-kuutio 55 Lähdeluettelo 61 1

3 Johdanto Tässä tutkielmassa selvitetään Rubikin kuution matemaattinen tausta. Tutkielma koostuu neljästä luvusta. Ensimmäisessä luvussa määritellään Rubikin kuution ryhmärakenteen määrittämisen kannalta tarpeelliset ryhmäteoreettiset peruskäsitteet ja osoitetaan tarvittavia lauseita. Toisessa luvussa määritellään Rubikin kuution matemaattisen tarkastelun kannalta oleelliset algebralliset rakenteet; suora tulo, ryhmän toiminta joukossa ja kranssitulo, jonka avulla Rubikin kuution ryhmärakenne esitetään, sekä todistetaan niihin liittyviä tuloksia. Kolmas luku on tutkielman pääaihe, eli Rubikin kuution matemaattinen tarkastelu. Tässä luvussa määritellään kuutioon liittyvät peruskäsitteet, johdetaan Rubikin kuution ryhmän rakenne ja määritellään sen ryhmäoperaatio, sekä todistetaan Rubikin kuution kannalta oleelliset lauseet. Neljäs luku on lyhyt katsaus 2x2x2-kuutioon, ja sen yhtäläisyyksiin ja eroavuuksiin Rubikin kuutioon verrattuna. Luettuaan ja sisäistettyään tutkielman lukija ymmärtää Rubikin kuution toimintaperiaatteen matemaattisen taustan ja osaa esimerkiksi päätellä sekoitettua kuutiota katsomalla, onko se ratkaistavissa. Lisäksi tutkielma tarjoaa erään lauseen todistuksen yhteydessä täysin toimivan, vaikkakin vaivalloisen, Rubikin kuution ratkaisumenetelmän. 2

4 1 Ryhmäteoria Tässä luvussa määritellään tarvittavia ryhmäteorian käsitteitä, tapoja konstruoida eräitä ryhmiä sekä todistetaan tarvittavia lauseita. 1.1 Perusteet Määritelmä Olkoon G joukko, johon on liitetty operaatio ( ), jolle : G G G, (g 1, g 2 ) g 1 g 2. Tällöin (G, ) on ryhmä, jos seuraavat ehdot toteutuvat: 1) (a b) c = a (b c) kaikilla a, b, c G eli ( ) on assosiatiivinen. 2) Joukossa G on olemassa sellainen alkio e, että a e = e a = a kaikilla a G. Tällöin alkiota e kutsutaan neutraalialkioksi. 3) Kaikilla a G on olemassa sellainen alkio a 1 G, että a a 1 = a 1 a = e. Tällöin alkiota a 1 kutsutaan alkion a käänteisalkioksi. Ryhmää (G, ) voidaan merkitä G, mikäli operaatiosta ( ) ei ole epäselvyyttä. Tällöin merkitään myös a b = ab. Ryhmää G kutsutaan Abelin ryhmäksi, jos ab = ba kaikilla a, b G. Lause Olkoon G ryhmä. Tällöin 1) neutraalialkio e on yksikäsitteinen, 2) käänteisalkio on yksikäsitteinen kaikille a G. Todistus. 1) Olkoot e ja e neutraalialkioita. Tällöin e = ee = e eli e = e. 2) Olkoot a 1 1 ja a 1 2 alkion a G käänteisalkioita. Tällöin Siis a 1 1 = a 1 2. a 1 1 = a 1 1 e = a 1 1 (aa 1 2 ) = (a 1 1 a)a 1 2 = ea 1 2 = a 1 2. Jos a G ja n Z +, asetetaan a n = a a... a ja a n = a 1 a 1... a 1, missä operandeja on n kappaletta. Lisäksi a 0 = e. Määritelmä Ryhmän G alkioiden lukumäärää eli ryhmän G mahtavuutta eli kertalukua merkitään G. Ryhmä G on äärellinen ryhmä, jos G <. Ryhmän alkion a kertaluku a = n, jos n on pienin positiivinen kokonaisluku, jolla a n = e. 3

5 Määritelmä Olkoot A 1, A 2,..., A m epätyhjiä joukkoja. Tällöin joukkojen A 1, A 2,..., A m karteesinen tulo on joukko A 1 A 2 A m = {(a 1, a 2,..., a m ) a i A i kaikilla 1 i m}. Lemma Jos A 1, A 2,..., A m ovat äärellisiä joukkoja, niin A 1 A 2 A m = A 1 A 2 A m. Todistus. Nyt A 1 A 2 A m = {(a 1, a 2,..., a m ) a i A i }. Nyt paikalle a 1 voidaan valita A 1 eri alkiota, paikalle a 2 vastaavasti A 2 eri alkiota jne. Tällöin edellisen päättelyn, eli kombinatoriikan tuloperiaatteen nojalla A 1 A 2 A m = A 1 A 2 A m. Määritelmä Jos (G, ) on ryhmä, H G ja (H, ) on myös ryhmä, niin tällöin sanotaan, että (H, ) on ryhmän (G, ) aliryhmä ja merkitään (H, ) (G, ) tai H G. Tällöin myös e H = e G, sillä neutraalialkio on yksikäsitteinen. Huomaa, että G G ja {e G } G. Nämä ovat ryhmän G triviaalit aliryhmät. Lause (Kaksiosainen aliryhmäkriteeri.) Olkoon G ryhmä ja = H G. Tällöin H G jos ja vain jos seuraavat ehdot toteutuvat: 1) a, b H ab H, 2) a H a 1 H. Todistus. Oletetaan, että H G. Tällöin ehdot 1) ja 2) ovat voimassa. Oletetaan, että ehdot 1) ja 2) ovat voimassa. Tällöin i) ehdosta 1) seuraa, että H on suljettu operaation ( ) suhteen; ii) koska ( ) on assosiatiivinen joukossa G, se on assosiatiivinen joukossa H; iii) ehdoista 1) ja 2) seuraa, että aa 1 = e H. Näin ollen ryhmän ehdot ovat voimassa joukolle H. Tällöin (H, ) on ryhmä ja H G. Lause [6]. (Yksiosainen aliryhmäkriteeri.) Olkoon G ryhmä ja H G. Tällöin H G jos ja vain jos kaikilla a, b H pätee ab 1 H. Todistus. Oletetaan, että H G. Tällöin H on ryhmä ja ab 1 H. Oletetaan, että ab 1 H. Tällöin, jos a H, niin aa 1 = e H. Tästä seuraa, että ea 1 = a 1 H. Nyt Lauseen ehto 2) on voimassa. Jos a, b H, niin tällöin b 1 H ja ab = a(b 1 ) 1 H. Nyt myös ehto 1) on voimassa. Tällöin Lauseen nojalla H G. 4

6 Osoitetaan vielä yksi aliryhmäkriteeri äärellisille osajoukoille. Tämä osoittautuu erittäin hyödylliseksi tarkasteltaessa Rubikin kuution ryhmää ja sen aliryhmiä. Lause Olkoon G ryhmä ja H ryhmän G äärellinen osajoukko. Tällöin H G jos ja vain jos kaikilla a, b H pätee ab H. Todistus. Oletetaan, että H G. Tällöin yllä oleva ehto on voimassa, sillä H on ryhmä. Oletetaan nyt, että ab H kaikilla a, b H. Tällöin Lauseen ehto 1) on voimassa. Selvästi a n H kaikilla n Z +. Koska H on äärellinen, niin tällöin myös alkion a kertaluku on äärellinen, sillä on mahdotonta, että alkio a i olisi eri kaikilla i Z, sillä Z =. Tällöin on olemassa sellaiset i 1, i 2 Z, että a i 1 = a i 2. Tästä seuraa, että a i 2 i 1 = e. Olkoon a = m. Tällöin a m = e a m a 1 = ea 1 a m 1 = a 1 H. Näin ollen Lauseen ehto 2) on voimassa. Täten Lauseen nojalla H G. Määritelmä Olkoon H G ja a G. Tällöin joukko ah = {ah h H} on alkion a määräämä aliryhmän H vasen sivuluokka. Vastaavasti määritellään oikea sivuluokka Ha. Lause Olkoon G ryhmä ja H G. Tällöin joukossa G määritelty relaatio arb b 1 a H on ekvivalenssirelaatio ja jos a G, niin ekvivalenssiluokka [a] = ah. Todistus. 1) Selvästi e = a 1 a H eli ara. 2) Olkoon arb eli b 1 a H. Tällöin, koska H on ryhmä, myös (b 1 a) 1 = a 1 b H eli bra. 3) Olkoon arb ja brc eli b 1 a, c 1 b H. Tällöin myös c 1 bb 1 a = c 1 a H, sillä H on ryhmä. Näin ollen arc. Kohdista 1)-3) seuraa, että R on ekvivalenssirelaatio ja G jakaantuu pistevieraisiin ekvivalenssiluokkiin. Nyt alkion a määräämä ekvivalenssiluokka [a] = {b G bra}. Oletetaan, että y [a] eli yra eli a 1 y H. Tällöin y = a(a 1 y) ah, joten [a] ah. Oletetaan, että y ah. Tällöin y = ah jollakin h H ja siten a 1 y = h H eli yra eli y [a]. Siis ah [a]. Näin ollen [a] = ah. Ekvivalenssiluokan ominaisuuksista seuraa, että G = i a i H, a i H a j H = kaikilla i j ja b ah ah = bh. Nyt tiedetään, että kaikki sivuluokat ovat erillisiä. 5

7 Lemma Olkoon G ryhmä, H G ja a G. Tällöin H = ah. Todistus. Olkoon f : H ah, f(h) = ah. Tällöin f(h) = {ah h H} = ah ja joukon ah alkukuva on funktion f määrittelyjoukko H. Selvästi, jos f(h 1 ) = f(h 2 ), niin h 1 = h 2. Tällöin f on sekä surjektio että injektio, eli bijektio ja siten H = ah. Lause (Lagrangen lause.) Olkoot G äärellinen ryhmä ja H G. Tällöin G = n H, missä n on aliryhmän H vasempien sivuluokkien lukumäärä ryhmässä G. Todistus. Lauseen nojalla G = i a i H, a i H a j H = kaikilla i j. Lemman nojalla a i H = H kaikilla 1 i n. Näin ollen G = n a i H = i=1 n H = n H. i=1 Lauseesta seuraa, että aliryhmän mahtavuus jakaa ryhmän mahtavuuden. Määritelmä Olkoon G ryhmä ja H G. Tällöin aliryhmän H indeksi ryhmässä G on [G : H] = G H. Lauseen nojalla indeksi on yhtä suuri kuin vasempien sivuluokkien lukumäärä. Määritelmä Olkoon G ryhmä ja H G. Jos ah = Ha kaikilla a G, niin H on normaali aliryhmä ja merkitään H G. Lause H G jos ja vain jos aha 1 H kaikilla a G. Todistus. Oletetaan, että H G. Tällöin ah = Ha kaikilla a G. Olkoon nyt y aha 1. Tällöin y = aha 1 jollakin h H. Nyt ah ah = Ha. Siten ah = h a ja y = aha 1 = h aa 1 = h H. Siis aha 1 H. Oletetaan seuraavaksi, että aha 1 H kaikilla a G. Olkoon y ah. Tällöin y = ah jollakin h H. Nyt y = aha 1 a Ha, sillä aha 1 H. Siis ah Ha. Olkoon y Ha. Tällöin y = ha jollakin h H. Nyt y = ha = aa 1 ha = a(a 1 h(a 1 ) 1 ) ah. Siis Ha ah. Näin ollen ah = Ha kaikilla a G. 6

8 Lause Olkoon (H, ) (G, ). Tällöin sivuluokkien joukossa {ah a G} voidaan määritellä operaatio ( ) siten, että ah bh = (a b)h. Tällöin ( ) on hyvin määritelty ja ({ah a G}, ) on ryhmä. Todistus. Olkoon ah = a H ja bh = b H. Nyt a ah, joten a = ax jollakin x H ja b bh, joten b = by jollakin y H. Tällöin a b = axby. Koska H G, niin bh = Hb, jolloin xb bh ja edelleen xb = bz jollakin z H. Tästä seuraa, että a b = axby = abzy abh. Siis a b H = abh. Näin ollen ( ) on hyvin määritelty. Osoitetaan ryhmärakenne. Nyt 1) Selvästi ( ) on suljettu operaatio. 2) (ah bh) ch = abh ch = abch = ah bch = ah (bh ch). 3) e G H {ah a G} ja e G H ah = ah = ah e G H kaikilla a G. 4) a G a 1 G ja ah a 1 H = e G H = a 1 H ah. Kohdista 1)-4) seuraa, että ({ah a G}, ) on ryhmä. Tätä ryhmää kutsutaan ryhmän G tekijäryhmäksi normaalin aliryhmän H suhteen ja merkitään ryhmää G/H. Lagrangen lauseen nojalla jos G on äärellinen. G/H = G H, Lause Indeksin 2 aliryhmä on normaali. Todistus. Olkoon H G siten, että [G : H] = 2. Tällöin ryhmässä G on kaksi vasenta (ja oikeaa) sivuluokkaa. Jos g H, niin gh = H = Hg, sillä H on ryhmä. Jos g H, niin on oltava gh = G \ H = Hg Lauseen nojalla. Siis gh = Hg. Näin ollen H G. 7

9 1.2 Erilaisia ryhmiä Olkoon G ryhmä ja a G. Tällöin H = {a k k Z} G. Jos x, y H, niin x = a m ja y = a n joillakin m, n Z. Lisäksi xy 1 = a m a n = a m n H ja Lauseen nojalla H on ryhmä. Määritelmä Ryhmää H = {a k k Z} kutsutaan alkion a generoimaksi sykliseksi ryhmäksi, ja merkitään H = a. Alkiota a kutsutaan generoijaksi. Syklistä ryhmää, jonka kertaluku on n, merkitään C n. Määritelmä Olkoon X joukko ja kuvaus α : X X bijektio. Tällöin α on joukon X permutaatio. Määritelmä Olkoon X epätyhjä joukko, jolle X = n. Tällöin kaikkien joukon X permutaatioiden joukkoa merkitään S n. Määritelmä Olkoot α, β S n ja i X. Tällöin permutaatioiden tulo vasemmalta oikealle määritellään (i)(α β) = ((i)α)β. Toisin sanoen, kuvataan jokainen i X permutaatiolla α, jonka jälkeen jokainen uusi alkio (i)α kuvataan permutaatiolla β. Tässä tutkielmassa permutaatioiden tulo määritellään näin päin. Tavallisesti käytetään tuloa oikealta vasemmalle, mutta erään luvussa 3 esiintyvän ryhmärakenteen operaation määrittelyn selkeyden vuoksi tulo määritellään nyt vasemmalta oikealle. Lause Olkoon S n kuten Määritelmässä ja ( ) kuvausten yhdistämisoperaatio. Tällöin (S n, ) on ryhmä. Todistus. Nyt 1) α, β S n α β S n, sillä bijektioiden yhdiste on bijektio. 2) α, β, γ S n (α β) γ = α (β γ). 3) Identiteettipermutaatio id S n määritellään siten, että (x)id = x kaikilla x X, jolloin α id = id α = α kaikilla α S n. Alkiota id S n merkitään (1). Siis (1) on joukon S n neutraalialkio. 4) Olkoon α S n. Koska α on bijektio X X, niin on olemassa käänteiskuvaus α 1. Käänteiskuvaus on myös bijektio X X eli α 1 S n. Lisäksi α α 1 = id = α 1 α. Kohdista 1)-4) seuraa, että (S n, ) on ryhmä ja sitä kutsutaan symmetriseksi ryhmäksi astetta n. 8

10 Huomaa, että S n = n! tuloperiaatteen nojalla, sillä koska permutaatio on bijektio, niin tätä bijektiota rakentaessa alkio 1 voidaan kuvata n eri alkioksi, alkio 2 voidaan kuvata n 1 eri alkioksi,... ja alkio n voidaan kuvata vain yhdeksi alkioksi. Tällöin ryhmässä S n on kombinatoriikan tuloperiaatteen nojalla n (n 1) 2 1 = n! eri permutaatiota. Määritelmä Olkoon X = {1, 2,..., n}. Joukon X permutaatio on sykli, jos sille pätee x 1 x 2... x k x 1, missä x i X kaikilla i sekä x i x j kaikilla i j, ja muut alkiot pysyvät paikoillaan. Tällaista sykliä merkitään (x 1 x 2 x 3... x k ) ja sen pituus on k. Sykliä, jonka pituus on k, kutsutaan k-sykliksi. Huomaa, että (x 1 x 2 x 3... x k ) = (x 2 x 3... x k x 1 ) = (x 3 x 4... x k x 1 x 2 ) =... = (x k x 1... x k 3 x k 2 x k 1 ). Määritelmä Jos α S n ja i X, niin 1) α säilyttää alkion i, jos (i)α = i ja 2) α siirtää alkion i, jos (i)α i. Syklit ovat erillisiä, jos ne eivät siirrä yhtään samaa alkiota. Esimerkki permutaatioiden tulosta. Olkoon α = ( ), β = ( ) S 7. Tällöin tarkastellaan jokainen alkio joukosta X = {1,..., 7} erikseen seuraavasti: Aloitetaan alkiosta 1. Nyt (1)α = 5 ja (5)β = 5 (1)(αβ) = 5, (5)α = 7 ja (7)β = 7 (5)(αβ) = 7, (7)α = 2 ja (2)β = 3 (7)(αβ) = 3, (3)α = 3 ja (3)β = 1 (3)(αβ) = 1. Koska päädyttiin alkioon 1, sykli suljetaan ja jatketaan tarkastelua pienimmästä sykliin kuulumattomasta alkiosta, eli luvusta 2. Nyt (2)α = 1 ja (1)β = 4 (2)(αβ) = 4, (4)α = 4 ja (4)β = 2 (4)(αβ) = 2. Päädyttiin alkioon 2, jolloin sykli suljetaan. Kuvaamatta on alkio 6, mutta koska (6)α = (6)β = 6, niin αβ säilyttää alkion 6. Tällöin αβ = ( )( ) = ( )(2 4)(6) = ( )(2 4). 1-syklit jätetään merkitsemättä, sillä (i) = e Sn kaikilla i X. 9

11 Määritelmä Olkoon G S n, α G ja i X. Tällöin alkion i rata ryhmässä G Orb G (i) = {(i)α α G} X. Toisin sanoen, alkion i rata permutaatioryhmässä G sisältää kaikki ne joukon X alkiot, joihin i voidaan siirtää ryhmän G permutaatioilla. Lause Jos α S n, niin α voidaan esittää erillisten syklien tulona. Todistus. Olkoon α S n. Tällöin permutaation α generoima syklinen ryhmä α permutoi joukon X = {1, 2,..., n} alkioita. Olkoon relaatio O joukossa X siten, että xox jos, ja vain jos x Orb α (x). Selvästi O on ekvivalenssirelaatio radan määritelmän nojalla. Tällöin joukko X jakaantuu pistevieraisiin ekvivalenssiluokkiin, ja kukin rata vastaa sykliä permutaatiossa α. Näin ollen väite pätee. Lemma Olkoon α S n. Tällöin α voidaan kirjoittaa 2-syklien tulona. Todistus. Olkoon α = (α 1 α 2 α 3 tulon määritelmästä seuraa, että... α k ) S n k-sykli. Tällöin permutaatioiden (α 1 α 2 α 3... α k ) = (α k 1 α k )(α k 2 α k 1 ) (α 2 α 3 )(α 1 α 2 ). Lauseen nojalla jokainen permutaatio voidaan esittää erillisten syklien tulona. Edellisen nojalla nämä syklit voidaan purkaa 2-syklien tuloksi. Näin ollen kaikilla permutaatioilla on esitys 2-syklien tulona. Määritelmä Olkoon α S n ja k sen Lemman mukaisen tuloesityksen 2-syklien lukumäärä. Permutaation α merkki { 1, k parillinen sgn(α) = 1, k pariton. Permutaation α pariteetti on parillinen, jos sgn(α) = 1 ja pariton, jos sgn(α) = 1. Määritelmä Olkoon α S n. Permutaation α merkki voidaan määritellä myös sgn(α) = ( 1) k, missä k on Lemman mukaisen tuloesityksen 2-syklien lukumäärä. Lause Määritelmät ja ovat yhtäpitävät. Todistus. Olkoon permutaatiolla α S n esitys k 2-syklin tulona Lauseen mukaisesti. Tällöin 1) jos k on parillinen, niin sgn(α) = 1, jolloin myös ( 1) k = 1, 2) jos k on pariton, niin sgn(α) = 1, jolloin myös ( 1) k = 1. 10

12 Siis määritelmät ovat yhtenevät. Määritelmä Olkoot S n ja X kuten Määritelmässä Tällöin joukon X alternoiva ryhmä A n on kaikkien joukon X parillisten permutaatioiden joukko. Toisin sanoen A n = {α S n sgn(α) = 1}. Loput joukon A n lopussa. keskeisistä ominaisuuksista todistetaan seuraavan kappaleen 1.3 Isomorsmit Isomorsmin käsite on erittäin tärkeä, sillä sen avulla ryhmiä voidaan käsitellä samoina objekteina. Jos kaksi ryhmää ovat keskenään isomorset, niillä on täysin sama rakenne. Tätä ominaisuutta käyttäen saadaan selville Rubikin kuution ryhmän rakenne. Määritelmä Olkoot (G, ) ja (H, ) ryhmiä. Kuvaus f : G H on ryhmähomomorsmi, jos f(a b) = f(a) f(b) kaikilla a, b G. Lause Olkoon f : (G, ) (H, ) ryhmähomomorsmi ja olkoot e G ja e H ryhmien G ja H neutraalialkiot. Tällöin f(e G ) = e H ja f(a 1 ) = f(a) 1 kaikilla a G. Todistus. e G G f(e G ) H. Tällöin f(e G ) f(e G ) = f(e G e G ) = f(e G ). Siten f(e G ) f(e G ) f(e G ) 1 = f(e G ) f(e G ) 1 f(e G ) = e H. Näin ollen f(a) f(a 1 ) = f(e G ) = e H = f(e G ) = f(a 1 ) f(a) kaikilla a G. Lause Olkoon sgn : S n ({1, 1}, ) määritelty kuten edellä. Tällöin sgn on ryhmähomomorsmi. Todistus. Olkoon α, β S n. Nyt Lemman nojalla α ja β voidaan esittää 2-syklien tuloina. Olkoon permutaation α 2-sykliesityksessä k 2-sykliä, ja permutaation β esityksessä l 2-sykliä. Tällöin sgn(αβ) = ( 1) k+l = ( 1) k ( 1) l = sgn(α) sgn(β). 11

13 Lause Olkoon α S n k-sykli. Tällöin sgn(α) = ( 1) k 1. Todistus. Nyt Lemman nojalla α = (i 1 i 2 i 3... i k ) = (i k 1 i k )(i k 2 i k 1 ) (i 2 i 3 )(i 1 i 2 ). Esityksessä on k 1 kappaletta 2-syklejä. Lauseen nojalla sgn(α) = sgn(i k 1 i k ) sgn(i k 2 i k 1 ) sgn(i 2 i 3 ) sgn(i 1 i 2 ) = ( 1)( 1) ( 1)( 1) = ( 1) k 1. }{{} k 1 kpl Määritelmä Olkoon f : G H ryhmähomomorsmi. Tällöin homomorsmin f kuva on joukko ja homomorsmin f ydin on joukko Im(f) = f(g) = {f(x) x G} Ker(f) = {x G f(x) = e H }. Lause Olkoon f : (G, ) (H, ) ryhmähomomorsmi. Tällöin Im(f) H. Todistus. Lauseen nojalla f(e G ) = e H Im(f). Olkoot a, b Im(f). Tällöin on olemassa sellaiset a, b G, että f(a ) = a ja f(b ) = b. Koska G on ryhmä, niin a b 1 G, jolloin Lauseen nojalla f(a b 1 ) = f(a ) f(b 1 ) = f(a ) f(b ) 1 = a b 1 Im(f). Lauseen nojalla Im(f) H. Määritelmä Olkoon f : G H ryhmähomomorsmi. Jos f on bijektio, niin f on ryhmäisomorsmi. Tällöin merkitään G = H. Jos G on äärellinen ryhmä, niin G = H. Määritelmä Olkoon G ryhmä ja f : G G ryhmäisomorsmi. Tällöin f on automorsmi. Merkitään Aut(G) = {f f automorsmi ryhmällä G}. 12

14 Lause Olkoon f : G H ryhmähomomorsmi. Tällöin Ker(f) G ja G/Ker(f) on ryhmä. Todistus. Selvästi Ker(f). Olkoon a, b Ker(f). Tällöin f(a) = f(b) = e H. Siten f(ab 1 ) = f(a)f(b 1 ) = f(a)f(b) 1 = e H e 1 H = e H. Näin ollen ab 1 Ker(f) ja Lauseen nojalla Ker(f) G. Olkoon nyt g G ja k Ker(f). Tällöin f(gkg 1 ) = f(g)f(k)f(g) 1 = f(g)e H f(g) 1 = e H. Siten gkg 1 Ker(f) ja näin ollen Ker(f) G. Tällöin tekijäryhmän määritelmän nojalla G/Ker(f) on ryhmä. Lause [6]. (Homomorsmien peruslause.) Olkoon f : (G, ) (H, ) ryhmähomomorsmi. Tällöin G/Ker(f) = Im(f). Todistus. Lauseen nojalla Im(f) on ryhmä. Olkoon nyt Ker(f) = K ja F : G/K Im(f), F (ak) = f(a). On tarkistettava, että F on hyvin määritelty. Olkoon siis a K = ak. Tällöin a = a k jollakin k K. Siten F (a K) = f(a ) = f(a k) = f(a) f(k) = f(a) e H = f(a) = F (ak). Siis F on hyvin määritelty. Nyt Siten F on injektio. F (ak) = F (bk) f(a) = f(b) e H = f(b) 1 f(a) = f(b 1 ) f(a) = f(b 1 a) b 1 a K K = b 1 K ak bk = ak. Olkoon f(b) Im(f). Tällöin bk G/K ja F (bk) = f(b), joten F on surjektio. Olkoon ak, bk G/K. Tällöin F (ak bk) = F ((a b)k) = f(a b) = f(a) f(b) = F (ak) F (bk). Näin ollen F on isomorsmi ja G/Ker(f) = Im(f). 13

15 Lause Olkoon A n kuten Määritelmässä Tällöin A n S n. Todistus. Tapaus n = 1 on triviaali. Olkoon siis n > 1. Lauseen nojalla kuvaus sgn : S n ({1, 1}, ) on ryhmähomomorsmi. Selvästi kuvaus sgn on surjektiivinen, eli Im(sgn) = {1, 1}. Tällöin, koska A n = {α S n sgn(α) = 1 = e Im(sgn) }, niin A n = Ker(sgn). Siten Lauseen nojalla A n S n. Homomorsmien peruslauseen nojalla S n /A n = {1, 1}, jolloin Lagrangen lauseen nojalla S n /A n = S n A n = {1, 1} = 2 eli A n = S n 2. Lause Kaikkien ryhmän S n 3-syklien joukko generoi ryhmän A n. Todistus. Lemman nojalla kaikille α S n on olemassa esitys 2-syklien tulona. Lisäksi 2-sykli on pariton. Tällöin jokainen parillinen permutaatio voidaan esittää tulona parillisesta määrästä 2-syklejä. Toisin sanoen, jos α A n, niin α = α 1 α 2k, missä k Z + ja α i on 2-sykli kaikilla 1 i 2k. Tarkastellaan kahden peräkkäisen 2-syklin tuloa α i α i+1, missä i on pariton luku. Huomaa, että (a b) = (b a). Jos α i = α i+1, niin ne ovat muotoa (a b). Tällöin Jos α i = (a b) ja α i+1 = (a c), niin Jos α i = (a b) ja α i+1 = (c d), niin α i α i+1 = (a b)(a b) = (1) = (a b c) 3. α i α i+1 = (a b)(a c) = (a b c). α i α i+1 = (a b)(c d) = (a b d)(d a c). Siis kaikissa tapauksissa kahden 2-syklin tulo voidaan esittää 3-syklien tulona. Näin ollen kaikille ryhmän A n permutaatioille α löytyy esitys 3-syklien tulona. Lisäksi, koska (a b c) = (a b)(a c), niin sgn(a b c) = sgn((a b)(a c)) = sgn(a b) sgn(a c) = ( 1) ( 1) = 1 Lauseen nojalla. Tällöin (a b c) A n eli kaikki 3-syklit ryhmästä S n ovat ryhmässä A n. Näin ollen 3-syklien joukko generoi ryhmän A n. 14

16 Lause A n on ainoa ryhmän S n indeksin 2 aliryhmä, kun n 2. Todistus. Jos n = 2, niin selvästi A 2 on ainoa indeksin 2 aliryhmä ryhmässä S 2. Olkoon nyt n > 2. Tällöin on olemassa 3-sykli σ S n. Olkoon H ryhmän S n indeksin 2 aliryhmä, eli ryhmällä S n on täsmälleen kaksi sivuluokkaa normaalin aliryhmän H suhteen. Oletetaan, että σ H. Tällöin σ 1 H. Koska σ on 3-sykli, niin σ 1 = σ 2. Koska sivuluokkia on vain kaksi, niin H σh = σ 1 H = σ 2 H = σh σh = σh σ 1 H = (σσ 1 )H = (1)H = H, mikä on ristiriita. Tällöin on oltava σ H. Näin ollen H sisältää kaikki 3-syklit ryhmästä S n, jolloin Lauseen nojalla H = A n, sillä H = A n. 15

17 2 Ryhmien välisiä operaatioita Ryhmistä on mahdollista konstruoida uusia ryhmiä erinäisillä ryhmien välisillä tuloilla. Tässä luvussa tarkastellaan suoraa tuloa, ryhmän toimintaa joukossa ja kranssituloa. 2.1 Suora tulo ja ryhmän toiminta Määritelmä Olkoot G 1 ja G 2 ryhmiä. Tällöin ryhmien G 1 ja G 2 suora tulo on karteesinen tulo G 1 G 2 varustettuna operaatiolla (g 1, g 2 ) (g 1, g 2) = (g 1 g 1, g 2 g 2), missä g 1, g 1 G 1 ja g 2, g 2 G 2. Lause Olkoot G 1, G 2 ryhmiä. Tällöin (G 1 G 2, ), missä ( ) on kuten Määritelmässä 2.1.1, on ryhmä. Todistus. 1) Operaation ( ) määritelmän nojalla joukko G 1 G 2 on suljettu operaation ( ) suhteen. 2) Jos (g 1, g 1), (g 2, g 2), (g 3, g 3) G 1 G 2, niin ( (g1, g 1) (g 2, g 2) ) (g 3, g 3) = (g 1 g 2, g 1g 2) (g 3, g 3) = (g 1 g 2 g 3, g 1g 2g 3) = (g 1, g 1) (g 2 g 3, g 2g 3) = (g 1, g 1) ((g 2, g 2) (g 3, g 3) ). Täten ( ) on assosiatiivinen joukossa G 1 G 2. 3) Jos (g 1, g 2 ) G 1 G 2, niin (g 1, g 2 ) (e G1, e G2 ) = (g 1, g 2 ) = (e G1, e G2 ) (g 1, g 2 ). Siten (e G1, e G2 ) on joukon G 1 G 2 neutraalialkio. 4) Jos (g 1, g 2 ) G 1 G 2, niin (g 1 1, g 1 2 ) G 1 G 2. Tällöin (g 1, g 2 ) (g 1 1, g 1 2 ) = (e G1, e G2 ) = (g 1 1, g 1 2 ) (g 1, g 2 ). Siten alkion (g 1, g 2 ) käänteisalkio joukossa G 1 G 2 on alkio (g 1 1, g 1 2 ). Kohdista 1)-4) seuraa, että (G 1 G 2, ) on ryhmä. 16

18 Määritelmä Olkoon G ryhmä ja X joukko. Olkoon lisäksi kuvaus φ : X G X, (x, g) φ(x, g). Merkitään φ(x, g) = x.g. Tällöin kuvaus φ on ryhmän G oikea toiminta joukossa X, jos 1) x.e = x kaikilla x X, 2) x.(gh) = (x.g).h kaikilla g, h G, x X. Lause Olkoon g G kiinnitetty. Tällöin kuvaus φ(x, g) = x.g on bijektio joukossa X. Todistus. Olkoon x, y X. Tällöin missä g G. Lisäksi φ(x, g) = φ(y, g) x.g = y.g (x.g).g 1 = (y.g).g 1 x.(gg 1 ) = y.(gg 1 ) x.e = y.e x = y, x = x.e = x.(g 1 g) = (x.g 1 ).g = z.g = φ(z, g), missä z = x.g 1 X ja g G. Näin ollen väite pätee. Lauseen nojalla ryhmän toiminta määrittää bijektion joukossa X. Toisin sanoen, jokainen g G määrää permutaation joukossa X. Tästä permutaatiosta käytetään jatkossa merkintää (x)φ g = φ(x, g). Määritelmä Olkoon G ryhmä, X joukko ja Sym(X) joukon X permutaatioiden ryhmä. Ryhmän G permutaatioesitys on ryhmähomomorsmi ryhmältä G ryhmälle Sym(X). Määritelmä Olkoon G ryhmä, X joukko, Sym(X) joukon X permutaatioiden ryhmä ja ψ : G Sym(X) ryhmän G permutaatioesitys. Ryhmän G oikea toiminta ryhmän permutaatioesityksestä ψ on sellainen ryhmän G oikea toiminta ψ : X G X, jolle ψ(x, g) = (x)ψ(g). Huomaa, että koska φ g on permutaatio, käytetään Määritelmän mukaista merkintätapaa, eli permutoitava alkio on permutaation vasemmalla puolella. Osoitetaan, että Määritelmien ja mukaiset ryhmän toiminnot ovat samat. 17

19 Lause Ryhmän toimintojen ja permutaatioesitysten välillä on yksikäsitteinen vastaavuus. Todistus. ( ) Olkoon ryhmän toiminta φ määritelty kuten Määritelmässä ja φ : G Sym(X) sellainen kuvaus, että φ(g) = φ g. Tällöin Lauseen nojalla φ määrää bijektion φ g joukossa X. Tällöin φ g on permutaatio joukossa X eli φ g Sym(X), g G. Olkoon nyt g, h G. Määritelmän ehdon 1) nojalla Lisäksi (x)φ g = φ(x, g) = x.g X kaikilla (x, g) X G. (x)(φ g φ h ) = ((x)φ g )φ h = (x.g).h = x.(gh) = (x)φ gh. Tällöin φ(g) φ(h) = φ(gh), eli φ on ryhmähomomorsmi. Tällöin voidaan asettaa φ = ψ, missä ψ on kuten Määritelmässä Siis ryhmän toimintaa φ vastaa ryhmähomomorsmi eli permutaatioesitys ψ : G Sym(X), ψ(g) = φ g. ( ) Olkoon G ryhmä, X joukko, Sym(X) joukon X permutaatioiden ryhmä ja ψ : G Sym(X) ryhmän G permutaatioesitys kuten Määritelmässä Olkoon myös g, h G ja x X. Tällöin Määritelmän nojalla permutaatioesitys ψ määrää kuvauksen ψ, jolle ψ(x, g) = (x)ψ(g). Siis x.g = ψ(x, g) = (x)ψ(g) X kaikilla (x, g) X G. Jos e on ryhmän G neutraalialkio, niin Lisäksi x.e = (x)ψ(e) = (x)id (Lause 1.3.2, id on identiteettipermutaatio) = x. (x.g).h = ((x)ψ(g))ψ(h) = (x)(ψ(g) ψ(h)) = (x)ψ(gh) (ψ on homomorsmi) = x.(gh). Näin ollen Määritelmän määräämä ryhmän toiminto ψ toteuttaa Määritelmän ehdot. Tästä seuraa, että määritelmät ovat yhtäpitäviä. Lauseen nojalla ryhmän G toiminnossa joukossa X ryhmän G alkio g kuvataan Määritelmän homomorsmilla ψ joukon X permutaatioksi ψ(g) = φ g, jolla joukon X alkio x kuvataan joksikin toiseksi joukon X alkioksi (x)φ g = x. 18

20 Esimerkki. Olkoon G = S 3 ja X = {1, 2, 3}. Tällöin ryhmän S 3 toimintoja joukolla X ovat esimerkiksi 2.(1 3 2) = 1, missä permutaatio (1 3 2) kuvataan bijektioksi 1 3 ψ(1 3 2) = 3 2, 2 1 jolloin (2)ψ(1 3 2) = 1. Vastaavasti 3.(2 1)(1 3)(2 3) = 1 ja 2.(2 3) = 3. Käytännössä kuvaus φ g kuvaa joukon X alkion permutaatiolla g S 3 joukon X alkioksi permutaation määritelmän mukaisesti, sillä tässä G = S 3 = Sym(X). Esimerkki. Olkoon G = D 4, missä D 4 on neliön diedriryhmä, eli neliön symmetrioiden ryhmä. Siis kukin ryhmän D 4 alkio on sellainen tason kierto, peilaus tai niiden yhdistelmä, joka kuvaa neliön takaisin itselleen. Merkitään neliön kulmia kuten oheisessa kuvassa. Tällöin muodostuu kulmien joukko X = {1, 2, 3, 4}. Neliön diedriryhmään kuuluu nyt neljä kiertoa ja neljä peilausta. Kierrot tapahtuvat neliön keskipisteen ympäri myötäpäivään ja peilaukset merkittyjen akselien suhteen. Nyt D 4 voidaan esittää joukon X permutaatioiden avulla. Merkitään 1 C A D B R 0 = 0 asteen kierto, R 1 = 90 asteen kierto, R 2 = 180 asteen kierto, R 3 = 270 asteen kierto, P A = peilaus suoran A suhteen, P B = peilaus suoran B suhteen, P C = peilaus suoran C suhteen, P D = peilaus suoran D suhteen. Tällöin R 0 = (1), P A = (1 3), R 1 = ( ), P B = (2 4), R 2 = (1 3)(2 4), P C = (1 2)(3 4), R 3 = ( ), P D = (1 4)(2 3). Huomataan, että D 4 S 4 = Sym(X). Tällöin voidaan määritellä sellainen kuvaus ψ, että ψ : D 4 S 4, ψ(α) = α kaikilla α D 4. 19

21 Olkoon α, β D 4. Tällöin ψ(αβ) = αβ = ψ(α)ψ(β). Siis ψ on ryhmähomomorsmi. Lauseen nojalla ψ määrää ryhmän D 4 oikean toiminnan joukossa X. Kyseinen toiminta on permutaatio ψ(α) = α. Käytännössä tämä toimii täysin samoin kuin edellinen esimerkki. Havainnollistetaan ryhmän toimintaa vielä sellaisella esimerkillä, jossa toimiva ryhmä ja käsiteltävän joukon permutaatioryhmä ovat erilliset. Esimerkki. Tarkastellaan tasasivuisen kolmion rotaatioiden muodostamaa ryhmää. Kyseessä on siis diedriryhmän D 3 aliryhmä, joka koostuu vain ryhmän D 3 rotaatioalkioista. Merkitään kolmion kulmia kuten oheisessa kuvassa. Tällöin muodostuu joukko X = {1, 2, 3}. Kolmion rotaatioita myötäpäivään kuvaavat permutaatiot ovat (1), (1 2 3) sekä (1 3 2). Selvästi nähdään, että nämä muodostavat ryhmän. Merkitään siis R 3 = {(1), (1 2 3), (1 3 2)} Selvästi R 3 S 3. Olkoon G = (Z 3, +). Määritellään kuvaus Jos [n], [m] Z 3, niin ψ : Z 3 R 3, ψ([n]) = (1 2 3) n. ψ([n])ψ([m]) = (1 2 3) n (1 2 3) m = (1 2 3) n+m = ψ([n + m]) = ψ([n] + [m]). Siis ψ on ryhmähomomorsmi. Näin ollen Lauseen nojalla kuvaus ψ määrää ryhmän Z 3 oikean toiminnan joukossa X. Kyseessä on kuvaus φ : X Z 3 X, joka kuvaa kunkin kolmion kulman siirtymistä n rotaatiossa. 20

22 2.2 Kranssitulo Olkoot G ja H ryhmiä, joista H toimii joukolla X = {1, 2,..., n}, missä X = n. Siis on olemassa kuvaus φ : H Sym(X) = S n, joka kuvaa jokaisen ryhmän H alkion h joukon X permutaatioksi φ h. Olkoon nyt G n ryhmän G suora tulo itsensä kanssa n kertaa. Tällöin joukko X indeksoi tämän suoran tulon siten, että G n = G G G = {(g 1 1, g 2 2,..., g n n) g i G kaikilla 1 i n}. Merkinnässä alaindeksit erottavat alkiot toisistaan, ja yläindeksi merkitsee alkion paikkaa monikossa. Tällöin alkioiden aito järjestys määräytyy pelkästään yläindeksien perusteella, eikä alkioiden kirjoitusjärjestyksellä monikossa sinänsä ole merkitystä. Koska ryhmä H toimii ryhmän G n indeksoivalla joukolla X, niin ryhmän H toiminta voidaan laajentaa luonnollisesti ryhmään G n siten, että joukon H alkio h kuvataan ensin kuvauksella φ joukon X permutaatioksi φ h, jonka jälkeen ryhmän G n alkion, eli n-monikon alkioiden yläindeksejä, eli järjestystä kuvataan permutaatiolla φ h. Kuvauksessa paikalla j oleva alkio siirtyy paikalle (j)φ h. Siis ryhmä H toimii ryhmässä G n permutoimalla monikkojen alkioiden paikkoja eli alkioiden yläindeksejä. Nyt, kun kuvaus φ on tunnettu, voidaan määritellä kuvaus ψ : G n H G n, ψ(g, h) = g.h = (g (1)φ h 1, g (2)φ h 2,..., g (n)φ h n ), missä g G n, h H. Kuvauksen jälkeen alkiot järjestetään monikon sisällä uudelleen niin, että uusien yläindeksien järjestys on 1, 2,..., n. Jos yläindeksejä ei ole merkitty alkioihin, oletetaan niiden olevan luonnollisessa järjestyksessä 1, 2,..., n. Esimerkiksi (g 1, g 2, g 3, g 4 ) = (g 1 1, g 2 2, g 3 3, g 4 4). Osoitetaan, että näin määritelty kuvaus ψ on ryhmän toiminto. Lause Edellä määritelty kuvaus ψ on ryhmän H toiminto ryhmässä G n. Todistus. Tarkastetaan ryhmän toiminnon määritelmän ehdot. 1) Olkoon g G n ja e H neutraalialkio. Tällöin φ e = (1) S n ja siten g.e = (g (1)φe 1, g (2)φe 2,..., g (n)φe n ) = (g 1 1, g 2 2,..., g n n) = g. 2) Olkoon h, h H. On osoitettava, että g.(hh ) = (g.h).h. Koska ryhmän H toiminta joukolla X, eli φ, on ryhmähomomorsmi, niin missä i X. Tällöin (i)φ(hh ) = ((i)φ(h))φ(h ), g.(hh ) = (g (1)φ hh 1, g (2)φ hh 2,..., g (n)φ hh n ) = (g ((1)φ h)φ h 1, g ((2)φ h)φ h 2,..., g ((n)φ h)φ h n ) = (g (1)φ h 1, g (2)φ h 2,..., g (n)φ h n ).h = (g.h).h. Kohdista 1) ja 2) seuraa, että ψ on ryhmän H toiminto ryhmässä G n. 21

23 Määritelmä Ryhmien G n ja H kranssitulo on rakenne, jossa H toimii ryhmällä G n sen alkioiden yläindeksien suhteen samalla toiminnolla kuin joukolla X = {1, 2..., n}. Toisin sanoen, ryhmien G n ja H kranssitulo on karteesinen tulo G n H, jossa H toimii ryhmällä G n edellä määritellyn toiminnon ψ : G n H G n mukaisesti. Tätä kranssituloa merkitään G n H. Kranssitulo toimii siis permutoimalla ryhmän G n monikkojen alkioiden paikkoja jonkin alkion h H määräämän permutaation φ h mukaisesti, eli käytännössä vain vaihtaa monikon alkioiden paikkoja monikossa, mutta ei vaihda itse monikon alkioita toisiin. Kranssitulon G n H taustajoukkona on karteesinen tulo G n H, sillä kranssitulon rakenteen muodostaa ryhmän toiminta ψ, eli alkion g.h määräämiseen tarvitaan alkiot g G n ja h H. Tämä tarkoittaa, että alkion g.h määrää alkio (g, h) karteesisesta tulosta G n H. Lisäksi kaikki joukon G n H alkiot määräävät jonkin alkion g.h. Jos (g, h), (g, h ) G n H, niin alkioiden välille voidaan määritellä ryhmän oikeaa toimintoa mukaileva operaatio (g, h) (g, h ) = ((g.h )g, hh ), missä (g.h )g G n, hh H ja alkioiden väliset operaatiot tehdään ryhmien omilla operaatioilla. Tämä rakenne voidaan osoittaa ryhmäksi, ja Rubikin kuution suhteen osoitus tehdään tätä operaatiota muistuttavan Rubikin kuutiolle luonnollisen ryhmäoperaation avulla luvussa 3. Esimerkki. Olkoon G = Z 2, H = S 3 ja X = {1, 2, 3}. Tällöin ryhmien G 3 ja H kranssitulo on Z 3 2 S 3 ={((0, 0, 0), α), ((0, 0, 1), α), ((0, 1, 0), α), ((0, 1, 1), α), ((1, 0, 0), α), ((1, 0, 1), α), ((1, 1, 0), α), ((1, 1, 1), α) α S 3 } ={(g, α) g Z 3 2, α S 3, missä α toimii kolmikkoon g kuvauksen ψ mukaisesti}. Lopputuloksena on tällöin jokin ryhmän Z 3 2 alkio, kuten seuraavassa esimerkissä. Tarkastellaan alkiota ((0, 1, 0), α). Jos α = (1) = e S3, niin (0, 1, 0).α = (0, 1, 0). Jos α = (2 3), niin (0, 1, 0).α = (0, 0, 1). Jos α = (2 3)(3 1), niin (0, 1, 0).α = (1, 0, 0). Tarkastellaan seuraavaksi kahta alkiota, ((1, 0, 1), (1 2)) ja ((0, 0, 1), (2 3)). Tällöin kranssitulorakenteen operaation mukaisesti ((1, 0, 1), (1 2)) ((0, 0, 1), (2 3)) = ((1, 0, 1).(2 3) + (0, 0, 1), (1 2)(2 3)) = ((1, 1, 0) + (0, 0, 1), (1 2)(2 3)) = ((1, 1, 1), (1 3 2)) Z 3 2 S 3. 22

24 Lemma Olkoot (G n, ), H ja ψ kuten edellä sekä x, y G n, h H. Tällöin (x y).h = (x.h) (y.h). Todistus. Koska ψ : G n H G n ja x.h, y.h G n, niin (x y).h = ψ(x y, h) = ψ((x 1 1, x 2 2,..., x n n) (y 1 1, y 2 2,..., y n n), h) = ψ(((x 1 y 1 ) 1, (x 2 y 2 ) 2,..., (x n y n ) n ), h) = ((x 1 y 1 ) (1)φ h, (x 2 y 2 ) (2)φ h,..., (x n y n ) (n)φ h ) = (x (1)φ h 1 y (1)φ h 1, x (2)φ h 2 y (2)φ h 2,..., x (n)φ h n y (n)φ h n ) = (x (1)φ h 1, x (2)φ h = ψ(x, h) ψ(y, h) = (x.h) (y.h). 2,..., x (n)φ h n ) (y (1)φ h 1, y (2)φ h 2,..., y (n)φ h n ) 23

25 3 Rubikin kuutio Tässä luvussa tarkastellaan Rubikin kuutiota ryhmäteoreettisesta näkökulmasta edellisten lukujen tietojen perusteella. Ensin on määriteltävä kuution rakenteelle käsitteet, joita käyttämällä Rubikin kuution ryhmän konstruointi etenee. 3.1 Kuution rakenne Määritelmä Rubikin kuutio koostuu kolmesta eri palatyypistä. Nämä ovat keskuspala, reunapala ja kulmapala. Kukin palatyyppi on esitetty alla olevassa kuvassa. Kulmapala Reunapala Keskuspala Kuva 1: Kuution palatyypit Nähdään, että kuutiossa on kuusi keskuspalaa, 12 reunapalaa ja kahdeksan kulmapalaa. Kuution sisällä ei ajatella olevan palaa, jolloin kaikkia paloja on yhteensä 26. Lisäksi huomataan, että keskuspalat eivät siirry minkään sivun käännöllä. Tällöin niiden keskinäisiä sijainteja ei voi muuttaa. Tästä seuraa, että liikkuvia paloja on 20 kappaletta. Pala voi esiintyä ainoastaan sen tyypin kanssa samantyyppisen palan paikoilla. Esimerkiksi kulmapala ei voi koskaan olla reunapalan kohdalla. Määrätään lisäksi, että koko kuutiota ei voi pyörittää. Määritelmä Tarra on kunkin palan kunkin näkyvän sivun väri, ja värejä on Rubikin kuutiossa yhteensä kuusi. Tarrat ovat pysyvästi kiinnitettyjä paloihinsa. Tarroja on 54 kappaletta. Määritelmä Kuutio on ratkaistu, mikäli kunkin kuuden sivun tarrat ovat keskenään samanvärisiä. Rubikin kuutiossa on kuusi eri väriä, jolloin kukin sivu on omanvärisensä. 24

26 Määritelmä Kuution keskuspalat ovat pysyvästi kiinnitettyjä suhteessa toisiinsa. Tämä tarkoittaa sitä, että keskuspaloja ei voi irrottaa kuutiosta. Kun tämä yhdistetään Määritelmään 3.1.1, vain kuution reuna- ja kulmapalat voidaan irrottaa kuutiosta, ja asettaa vain kyseisen palatyypin mukaisille paikoille. Tämä on kuution kokoonpanorajoitus. Määritelmä Kääntö on minkä tahansa kuution sivun kääntö 90 asteen monikerroissa myötä- tai vastapäivään. Käännöt määritellään tarkemmin myöhemmin. Määritelmä Kääntöjono on jokin äärellinen jono kääntöjä. Jos K 1,..., K n ovat kääntöjä, niin K 1 K 2... K n on kääntöjono, joka suoritetaan vasemmalta oikealle, ts. ensin kääntö K 1, seuraavaksi K 2 jne., ja lopuksi kääntö K n. Tästä syystä permutaatio ja ryhmän toiminta on määriteltävä kuten Määritelmissä ja Lisäksi sanotaan, että edellisen kääntöjonon pituus on n. Kääntöjonoja suoritettaessa kuutio pysyy aina samassa asennossa. Tämä tarkoittaa, että keskuspalat osoittavat koko kääntöjonon ajan samoihin suuntiin. Määritelmä Kombinaatio eli järjestys on jokin tapa irrottaa ratkaistusta kuutiosta kaikki kulma- ja reunapalat ja asettaa ne kokoonpanorajoituksen mukaisesti takaisin kuutioon. Merkitään kaikkien kombinaatioiden joukkoa K. Määritelmä Kombinaatio on ratkeava jos ja vain jos se voidaan saavuttaa ratkaistusta kuutiosta jollakin kääntöjonolla. Lisäksi kaikkien ratkeavien kombinaatioiden joukkoa merkitään R. Määritelmä Kuution permutaatiotila sisältää tiedon kaikkien kuution palojen sijainnista kuutiossa. Edelleen, kuution permutaatiotila koostuu reunapalojen permutaatiotilojen ja kulmapalojen permutaatiotilojen yhdisteestä. Reunapalojen permutaatiotila sisältää tiedon reunapalojen sijainnista kuutiossa, ja vastaavasti kulmapaloille. Permutaatiotilat eivät ota kantaa palojen asentoon. Määritelmä Kuution orientaatiotila sisältää tiedon kaikkien kuution palojen asennosta kuutiossa verrattuna ratkaistuun kuutioon. Tehdään ratkaistuun kuutioon seuraavan kuvan mukaiset merkinnät. U L F R B D Kuva 2: Orientaatiomerkit [3] Kuution orientaatiotila saadaan selville vertaamalla kullakin paikalla olevan palan merkin sijaintia ratkaistussa kuutiossa samalla paikalla olevan palan merkin sijaintiin. Reunapalalla on kullakin reunapaikalla kaksi eri asentoa ja kulmapalalla on kullakin kulmapaikalla kolme eri asentoa. Asennot ovat kuten seuraavissa kuvissa, joissa värillinen tahko kuvaa merkkiä. 25

27 Reunapalat; 0, 1 Kulmapala, tila 0 Kulmapala, tila 1 Kulmapala, tila 2 Vastaavasti kuin kuution permutaatiotiloilla, kuution orientaatiotila koostuu reunapalojen orientaatiotilojen ja kulmapalojen orientaatiotilojen yhdisteestä. Orientaatiotilat eivät ota kantaa palojen sijaintiin. Määritelmä Järjestely on sellainen kuution kombinaation vaihto, joka noudattaa kokoonpanorajoitusta. 3.2 Kääntöjen ryhmä Koska Rubikin kuutiossa on 54 tarraa ja kombinaatiot ovat tässä joukossa, on Rubikin kuution ratkeava joukko symmetrisen ryhmän S 54 osajoukko. Mutta kokoonpanorajoituksen nojalla keskuspaloja ei voi siirtää. Tällöin kuutiossa on 48 liikkuvaa tarraa, ja siten ratkeavan joukon on oltava myös symmetrisen ryhmän S 48 osajoukko. Nyt kuutio voidaan esittää seuraavasti: Kuva 3: Tarrojen indeksointi ratkaistussa kuutiossa (Lähteestä [5].) Kuvassa U, L, F, R, B ja D ovat yläsivun, vasemman sivun, etusivun, oikean sivun, takasivun ja alasivun tunnukset suuntia vastaavien englannin kielen sanojen mukaisesti. Nähdään, että käännöt operoivat joukkoa {1, 2,..., 48}. Otetaan käännöille käyttöön Singmasterin merkintätapa. 26

28 Määritelmä Singmasterin merkintätavassa sivujen tunnukset ovat kuten edellä, ja kääntöjä merkitään seuraavan taulukon mukaisesti: 90 astetta myötäpäivään 90 astetta vastapäivään 180 astetta Etusivu F F 1 F 2 Takasivu B B 1 B 2 Vasen sivu L L 1 L 2 Oikea sivu R R 1 R 2 Yläsivu U U 1 U 2 Alasivu D D 1 D 2 Käännön suunta on kyseisen sivun suunnalta katsottaessa. Huomaa, että jos K on jokin näistä käännöistä, niin KKK = K 1. Tällöin saadaan käännöille F, B, L, R, U ja D seuraavat esitykset erillisten syklien tulona: F = ( )( )( )( )( ), B = ( )( )( )( )( ), L = ( )( )( )( )( ), R = ( )( )( )( )( ), U = ( )( )( )( )( ), D = ( )( )( )( )( ). Määritelmä Olkoon S = {F, B, L, R, U, D}. Tällöin kaikki ratkeavat kombinaatiot voidaan Määritelmän mukaan saavuttaa joukon S alkioiden jonoilla. Näin muodostuva joukko on kaikkien kääntöjonojen joukko, jota merkitään S. Erilaisia äärellisiä kääntöjonoja on ääretön määrä, mutta Rubikin kuution kombinaatioita on selvästi äärellinen määrä. Ennen kuin edetään pidemmälle, on mielekästä osoittaa, että R on ryhmärakenne. Tämä tapahtuu seuraavasti: osoitetaan, että joukko S voidaan jakaa ekvivalenssiluokkiin, joista kukin vastaa täsmälleen yhtä kombinaatiota joukosta R. Tämän jälkeen osoitetaan joukko S ryhmäksi. Käyttäen tätä ominaisuutta joukko R osoitetaan ryhmäksi. On tärkeää huomata, että kääntöjono toimii ratkeavaan kombinaatioon täsmälleen samalla tavalla kuin ratkeamattomaan kombinaatioon. Lisäksi ryhmän R rakenne on vaikea selvittää kääntöjen permutaatioesityksistä. Tarvitaan toisenlainen esitys. 27

29 Lemma Ratkeavat kombinaatiot ovat ekvivalenssiluokkia, joiden alkiot ovat kääntöjonoja, jotka suoritetaan ratkaistuun kombinaatioon. Todistus. Olkoon e ratkaistu kuutio, S = {F, B, L, R, U, D} ja f, g, h S. Kääntöjono f, suoritettuna ratkaistuun kuutioon e, tuottaa kombinaation r f. Olkoon nyt sellainen relaatio joukossa S, että Tällöin 1) r f = r f f f. f g r f = r g. 2) f g r f = r g r g = r f g f. 3) (f g g h) (r f = r g r g = r h ) r f = r h f h. Kohdista 1)-3) seuraa, että S jakaantuu erillisiin ekvivalenssiluokkiin [f] = {x S r x = r f } = {x S e.x = r f }, missä e.x on kääntöjonon x toiminta ratkaistuun kuutioon. Näin ollen väite pätee. Ekvivalenssiluokkien ominaisuuksien nojalla kaikki kääntöjonot kuuluvat täsmälleen yhteen ekvivalenssiluokkaan, ja saman luokan kääntöjonot tuottavat saman kombinaation. Siis kukin ekvivalenssiluokka vastaa täsmälleen yhtä ratkeavaa kombinaatiota. Lisäksi, jos r on ratkeava kombinaatio, niin on olemassa jokin kääntöjono M, joka tuottaa ratkaistusta kuutiosta kombinaation r. Tällöin kombinaatiota r vastaa vain ekvivalenssiluokka [M]. Tällöin kaikkia ratkeavia kombinaatioita vastaa täsmälleen yksi ekvivalenssiluokka. Näin ollen ekvivalenssiluokkien joukko ja ratkeavien kombinaatioiden joukko voidaan samaistaa, ja kukin ratkeava kombinaatio voidaan esittää jollakin kääntöjonolla sitä vastaavasta ekvivalenssiluokasta. Ratkeavien kombinaatioiden joukkoa voidaan siis merkitä R = {[f] f S }. Osoitetaan seuraavaksi joukon S olevan ryhmä. Lause Olkoon S = {F, B, L, R, U, D} ja : S S S sellainen operaatio, että jos f S ja g S, niin f g on kääntöjono, joka saadaan suorittamalla ratkaistuun kuutioon kääntöjono f g. Tällöin ( S, ) on ryhmä ja alkiota f g = fg sanotaan kääntöjonojen f ja g ketjuksi ryhmässä S. Todistus. Tarkastetaan ryhmän ehdot. 1) f g S operaation ( ) määritelmän nojalla. 2) f E = f = E f, missä E on tyhjä kääntö. 28

30 3) Jos f, g, h S ja P on jokin kuution pala, niin (f (g h))(p ) = (g h)(f(p )) = h(g(f(p ))) ((f g) h))(p ) = h((f g)(p )) = h(g(f(p ))) f (g h) = (f g) h. Edellä kääntöjonot vaikuttavat järjestyksessä vasemmalta oikealle. 4) Olkoon T = S {K 1 K S} ja f = K 1 K 2...K n, missä K i T kaikilla 1 i n. Määritelmän nojalla T = S. Jos g = Kn 1 Kn 1...K 1 1 S, niin f g = (K 1 K 2...K n ) (Kn 1 Kn 1...K 1 1 ) ( assosiatiivinen) = K 1 K 2...K n 1 EKn 1...K 1 1 = E n = E. Vastaavasti saadaan g f = E. Näin ollen g = f 1 S. Kohdista 1)-4) seuraa, että ( S, ) todella on ryhmä. Lause Olkoon R = {[f] f S } ratkeavien kombinaatioiden joukko ja tässä joukossa määritelty operaatio [f] [g] = [f g] kaikilla [f], [g] R, missä ( ) on kuten edellä. Osoitetaan, että operaatio on hyvin määritelty ja että R on ryhmä. Todistus. Olkoot f ja f sellaiset kääntöjonot, että ne tuottavat saman kombinaation r f sekä g ja g sellaiset kääntöjonot, että ne tuottavat saman kombinaation r g. Tästä seuraa, että f g = f g, sillä tarkastellessa kombinaatiossa tapahtunutta muutosta prosessilla ei ole väliä, vain ainoastaan alku- ja lopputilojoen erolla. Lisäksi ekvivalenssiluokkien ominaisuuksien nojalla [f] = [f ] ja [g] = [g ]. Näin ollen [f] [g] = [f g] = [f g ] = [f ] [g ]. Siis ketjutusoperaatio joukossa R on hyvin määritelty. Osoitetaan nyt ryhmärakenne. Olkoon f, g, h, E S, missä E on tyhjä kääntö. 1) Lauseen nojalla f g S, joten [f] [g] = [f g] R. 2) [f] [E] = [f E] = [f] = [E f] = [E] [f]. ( ) 3) [f] [g] [h] = [f] [g h] = [f g h] = [f g] [h] = ( ) [f] [g] [h]. 4) Lauseen nojalla kaikilla f S on olemassa käänteisalkio f 1 S. Tällöin [f] [f 1 ] = [f f 1 ] = [E] = [f 1 f] = [f 1 ] [f]. Nyt on todistettu, että kaikki ratkeavat kombinaatiot varustettuna ketjutusoperaatiolla on ryhmä, jolloin on mahdollista löytää kyseisen ryhmän rakenne. 29

31 Lemma Olkoot [f], [g] R joillekin kääntöjonoille f ja g. Tällöin on olemassa sellainen kääntöjono h, että [fh] = [g]. Todistus. Lauseen nojalla on olemassa sellainen kääntöjono f 1, että ff 1 = E, jolloin [ff 1 ] = [E]. Siis Eg = ff 1 g [ff 1 g]. Toisaalta Eg = g [g]. Näin ollen [ff 1 g] = [g], joten fh = ff 1 g = g ja etsitty kääntöjono on siten h = f 1 g. 3.3 Rubikin kuution yleinen ryhmä Rubikin kuution yleinen ryhmä on joukko K varustettuna kombinaatioiden yhdistämisoperaatiolla. Ennen operaation määrittelyä täytyy konstruoida joukon K rakenne. Määritelmien 3.1.7, ja nojalla mielivaltaisen kombinaation konstruoimiseen tarvitaan tiedot palojen paikoista ja asennoista, eli permutaatiotiloista ja orientaatiotiloista. Tarkastellaan kumpaakin palatyyppiä erikseen. Merkitään ensin reuna- ja kulmapaloja luvuilla seuraavien kuvien mukaisesti: Kuva 4: Reuna- ja kulmapalojen indeksointi Näin jokaiseen reuna- ja kulmapalan paikkaan voidaan viitata luvulla. Eri palatyyppejä ei käsitellä yhtä aikaa näillä luvuilla, jolloin sekaannusta ei synny. Ennen palojen tarkastelua on todistettava lause, joka antaa keinon edellämainitun mielivaltaisen kombinaation konstruoimiseen. Lause [3]. (Kuutioteorian ensimmäinen peruslause.) Olkoon k K jokin kombinaatio. Olkoon lisäksi ratkaistuun kuutioon tehty kuvan 2 mukaiset merkinnät. Tällöin kombinaatio k on määrätty yksikäsitteisesti, jos tiedetään: 30

32 U L F R B D 1) Mikä on keskuspalojen permutaatiotila? 2) Mikä on reunapalojen permutaatiotila? 3) Mikä on kulmapalojen permutaatiotila? 4) Mitkä reunapalojen merkeistä kohdalla i ovat kääntyneet verrattuna ratkaistun kuution kohdan i merkkeihin? 5) Mitkä kulmapalojen merkeistä kohdalla j ovat kääntyneet verrattuna ratkaistun kuution kohdan j merkkeihin, ja jos ne ovat kääntyneet, ovatko ne kääntyneet 120 astetta myötä- vai vastapäivään? Todistus. Nähdään, että kaikissa paloissa, paitsi keskuspaloissa, on yksi merkki. Kysymyksen 1) vastaus kertoo, miten päin kuutio on. Kysymysten 2) ja 3) vastaukset antavat Määritelmän nojalla tietoon kuution permutaatiotilan. Kysymysten 4) ja 5) vastaukset antavat Määritelmän nojalla tietoon kuution orientaatiotilan. Näin ollen Määritelmän nojalla nyt on tiedossa kaikki tiedot, jotka vaaditaan kombinaation konstruoimiseen. Lisäksi, jos jonkin palan permutaatiotai orientaatiotila muuttuu, koko kombinaatio muuttuu. Tällöin kombinaatio on yksikäsitteinen. Jos palan merkki jollakin kohdalla on samalla paikalla kuin ratkaistun kuution merkki samalla kohdalla, niin sanotaan, että pala on oikein päin. Jos palan merkki on eri paikalla kuin ratkaistussa kuutiossa, niin sanotaan, että pala on kääntynyt. Kullakin reuna- ja kulmapalan asennolla on sitä vastaava lukuarvo. Jos reunapala tai kulmapala on oikein päin, sen lukuarvo on 0. Jos reunapala on kääntynyt tai kulmapala on kääntynyt myötäpäivään, sen lukuarvo on 1. Jos kulmapala on kääntynyt vastapäivään, sen lukuarvo on 2. Reunapalat; 0, 1 Kulmapala, tila 0 Kulmapala, tila 1 Kulmapala, tila 2 Kaikissa tapauksissa kuutio on samoin päin. Jos vasemmanpuoleinen reunapala on tilassa 0, niin oikeanpuoleinen on sama pala tilassa 1. Reunapalat Olkoon K r yleinen reunapalojen orientaatio- ja permutaatiotilojen joukko. Joukko K r kuvaa siis täydellisesti reunapaloja ja vain reunapaloja. Joukon alkiosta selviää reunapalojen sijainnit sekä niiden asennot. Koska reunapaloja on 12 kappaletta, permutaatio σ f S 12 kuvaa järjestyksen f aiheuttamaa reunapalojen siirtymistä. Esimerkiksi käännölle F saadaan kuvasta 3 permutaatioesitys σ F = ( ). 31

33 Koska kukin reunapala voi olla kahdessa eri asennossa, 0 tai 1, on reunapalan i orientaatiotilaa kuvaava alkio ω i Z 2. Koska reunapaloja on 12, reunapalojen orientaatiotilaa kuvaa joukko Z Tällöin K r = {(ω, σ) ω Z 12 2, σ S 12 }. Kulmapalat Olkoon K k yleinen kulmapalojen orientaatio- ja permutaatiotilojen joukko. Joukko K k kuvaa täydellisesti kulmapaloja ja vain kulmapaloja. Joukon alkiosta selviää kulmapalojen sijainnit sekä niiden asennot. Koska kulmapaloja on kahdeksan kappaletta, permutaatio ρ f S 8 kuvaa järjestyksen f aiheuttamaa kulmapalojen siirtymistä. Esimerkiksi kääntöä F vastaa permutaatio ρ F = ( ). Koska kukin kulmapala voi olla kolmessa eri asennossa, 0, 1 tai 2, on kulmapalan i orientaatiotilaa kuvaava alkio ν i Z 3. Koska kulmapaloja on kahdeksan, kulmapalojen orientaatiotilaa kuvaa joukko Z 8 3. Tällöin K k = {(ν, ρ) ν Z 8 3, ρ S 8 }. Yleisen ryhmän rakenne Kuution permutaatio- ja orientaatiotilojen määritelmien nojalla jokainen kombinaatio joukossa K koostuu reunapalojen ja kulmapalojen permutaatioja orientaatiotilojen yhdistelmästä. Näin ollen muodostuu kahden karteesisen tulon karteesinen tulo K = K r K k = (Z 12 2 S 12 ) (Z 8 3 S 8 ). Huomaa, että tämä on vielä vain joukko. Tällöin, jos x K, niin x = (ω x, σ x, ν x, ρ x ), missä kukin nelikön alkio vastaa järjestelyn x ratkaistuun kuutioon tekemää muutosta. Siten näiden alkioiden muodostama nelikkö muodostaa järjestelyn x kokonaisvaikutuksen. Järjestelyn permutaatiovaikutus, eli permutaatiot σ x ja ρ x, ovat yksiselitteisiä. Ne siirtävät paloja itsensä mukaisesti, kun käytetään kuvan 4 indeksointia. Orientaatiotiloja tulkitaan seuraavasti. Olkoon x jokin kombinaatio. Tällöin monikot ω x Z 12 2 ja ν x Z 8 3 kuvaavat orientaatiotiloja, johon palat kääntyvät, kun ratkaistuun kuutioon suoritetaan järjestely x. Tällöin ω x = (ω x,1, ω x,2, ω x,3, ω x,4, ω x,5, ω x,6, ω x,7, ω x,8, ω x,9, ω x,10, ω x,11, ω x,12 ), missä ω x,i = 0, 1 kaikilla 1 i 12 ja ν x = (ν x,1, ν x,2, ν x,3, ν x,4, ν x,5, ν x,6, ν x,7, ν x,8 ), 32