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对换图Γ的性质证明:n≥5时n-1点完全子图的形式

关于对称群对换图的完全子图证明

先把问题再明确一下:
我们定义图$\Gamma$:

  • 顶点集合是对称群$S_n$中的所有对换(也就是形如$(i,j)$的2-循环,$i\neq j$);
  • 两个顶点之间有边,当且仅当对应的两个对换有一个公共的移动点(也就是它们的循环表示里有共同的元素)。

需要证明的是:当$n\geq5$时,$\Gamma$中任意一个$n-1$个顶点的完全子图,都一定是形如$G_a := {(a,x) \mid x \in {1,2,...,n} \setminus {a}}$的集合——换句话说,这个完全子图里的所有对换,都共享同一个公共移动点$a$。


证明过程

咱们用反证法来推导:假设存在一个$n-1$个顶点的完全子图$H$,它不是任何一个$G_a$的形式,也就是说,不存在一个公共点$a$,使得$H$里的所有对换都包含$a$。接下来我们会导出矛盾。

步骤1:分析$H$中对换的相交性质

因为$H$是完全子图,所以$H$里的任意两个对换都必须有公共移动点(不然它们之间就没有边,不符合完全子图的定义)。但我们假设$H$没有全局公共点,也就是说:

对于每个点$x \in {1,2,...,n}$,都存在$H$中的某个对换,它不含$x$。

步骤2:构造初始的三个对换

先从$H$里任取一个对换$t=(a,b)$。根据上面的假设,存在$H$中的对换$s$不含$a$——但$s$必须和$t$有公共点,所以$s$只能包含$b$,不妨设$s=(b,c)$。

再根据假设,存在$H$中的对换$u$不含$b$——$u$必须和$t$有公共点(所以含$a$),同时必须和$s$有公共点(所以含$c$),因此$u=(a,c)$。

现在$H$里已经有了三个对换:$(a,b)$、$(b,c)$、$(a,c)$。

步骤3:导出矛盾(利用$n\geq5$的条件)

因为$n\geq5$,所以$n-1\geq4$,也就是说$H$里至少还有一个额外的对换$v$,不属于上面三个。

现在看$v$的可能:

  • $v$必须和$t=(a,b)$相交,所以$v$要么含$a$,要么含$b$;
  • $v$必须和$s=(b,c)$相交,所以$v$要么含$b$,要么含$c$;
  • $v$必须和$u=(a,c)$相交,所以$v$要么含$a$,要么含$c$。

把这些条件组合起来,$v$的可能形式只能是:

  • $(a,b)$、$(b,c)$、$(a,c)$:但这三个已经在$H$里了,$v$是新的对换,排除;
  • $(a,d)$($d\neq a,b,c$):这个对换和$s=(b,c)$没有公共点,违反了完全子图的要求(它们之间应该有边,但实际没有);
  • $(b,d)$($d\neq a,b,c$):这个对换和$u=(a,c)$没有公共点,同样违反要求;
  • $(c,d)$($d\neq a,b,c$):这个对换和$t=(a,b)$没有公共点,还是违反要求。

也就是说,根本不存在这样的额外对换$v$,但这和$H$有$n-1\geq4$个顶点矛盾!

步骤4:结论

我们的假设($H$不是$G_a$的形式)不成立,因此所有$n-1$个顶点的完全子图都必须是$G_a$的形式——也就是所有对换共享同一个公共移动点$a$。


内容的提问来源于stack exchange,提问作者Atvin

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最近更新时间:2026.05.19 09:15:25