C. L E C ONTE DE P OLY
Permutations et partitions : tableaux à marges égales et distance partitionnelle
Mathématiques et sciences humaines, tome 67 (1979), p. 71-83
<http://www.numdam.org/item?id=MSH_1979__67__71_0>
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PERMUTATIONS ET PARTITIONS : TABLEAUX A MARGES
EGALES*
ET DISTANCE PARTITIONNELLE
C. LE CONTE DE
POLY
I. PERMUTATIONS DE Q ET TABLEAUX A MARGES EGALES
Soit
un ensemble de cardinal = n. Les élémentsde Q ,
,appelés points,
seront
désignés
par des minuscules grecques :a,$,...,
lespermutations
de Qpar des minuscules
latines, f,g,...
et le groupe despermutations
de Q parf
L’image
d’unpoint
a par unepermutation
f sera noté a ,l’ensemble
desimages
d’une partie
parOf et
leproduit
pq de deuxpermutations
p et q estdéfini
par :apq = (a) (écriture
degauche
àdroite).
Soit A une
partition
de ~ en r classes énumérées dans un certain ordre(on
dira unepartition énumérée), 1’....’...’ .
i r On poseraI. 1 =
i n..1Le sous-groupe de
qui
conserveglobalement chaque
classeA.
de, c’est-à-
. , . f
dire l’ensemble
despermutations
f pourlesquelles Al =
iA.,
1i
E{1,...,r,
sera noté
SA,
De toute évidenceS
estisomorphe
auproduit
direct des groupes depermutations
i des classesAi.
11.1. Permutations 1 1 1 et
partitions
A
chaque couple (f,A)
oaassocie
un tableau carré r x r àentrées
n..E m
. r ... .
J où n.. = ij
JAf
i flA.I.
J ° Ce tableau seradésigné
partableau d’échanges T f,A de
f
selon , chaque ni. correspondant
au nombred’éléments envoyés
par f de 1JA. dans A..
J
Je tiens à remercier vivement A. Lentin dont les remarques et
suggestions
m’ont
aidée à mettre aupoint
ce texte.**Centre de
Mathématique Sociale,
Ecole des Hautes Etudes en SciencesSociales,
54 bd
Raspail
75270 PARIS Cedex 06En considérant
successivement A. i
comme sourcepuis
comme but dansl’application
f : A --> A on obtient :
Ce fait conduit à poser en toute
généralité
lesdéfinitions suivantes :
DEFINITION 1P étant un
partage
énuméré del’entier
n, P =[nl,...,ni,...,nr]
onappelle
tableau d’échange de genre
P un tableau carré r x r à entréesni.
1JEIN
dontla
i-ème ligne
et la i-ème colonne( 1 1 à r)
ont pour sommen..
1Un tableau
d’échange
de genre P est encore untableau dont les deux marges
sontégales à
P. "DEFINITION 2
Avec les notations
précédentes
onappelle schéma d’échange de
genre P unensemble ordonné de r mots
t (1)
enl’alphabet { 1,...,J,...,r.r . "’1
tel que
n..
étant le nombred’occurrences de j
dans onait
les4 1J J
relations (1).
Il est clairqu’un
schéma détermine un tableaud’échange
mais
laréciproque n’est
pasvraie.
Plusprécisément
on a leLEMME 1
Le nombre de schémas
correspondant
à un tableau donné estPreuve :
1 Les motst
sont lespermutations
avecrépétitions
den. 1 objets, l’objet j figurant
enn.. exemplaires.
1J PROPOSITION 1
Soit
T un tableau de genre P =r1
etsoit A
unepartition
énumérée de 0 en r
classes r
1 1 r avec 1n..
1Le nombre de
permutations
f E admettant T pour tableaud’échange
estPreuve : Chacun des schémas
d’échange associé
à T permu-tations possibles puisque
lesn.
occurrences de lalettre j doivent être
Jremplacées
de toutes lesfaçons possibles
par les éléments deAi
J pourremonter des
t
auxpermutations.
COROLLAIRE 1
Il y a
bijection
entre l’ensemble des tableaux de genre P =[n,, ... ni,, ... ,nr1
i ret le
quotient
de par la relationd’équivalence N
définie par :1.2. Tableaux à marges
égales
etclasses
bilatèresLa relation
d’équivalence - peut s’exprimer d’une
autrefaçon,
en termes declasses bilatères de
S(Q)
selonSA*
Les
classes bilatères de S(Q)
selonSA
*A
chaque
élément - f de on attache sa classebilatère
-[6] Bf
f selonS :
Asont
disjointes
ou confondues et la relation~’ :
est une relation
d’équivalence.
PROPOSITION 2
Les deux relations
d’équivalence
définies dansS(~) :
L.J L.1 L.1 L-.a
coïncident.
~ ~ ~
Preuve :
a) f -’
1 g~fez g
Les deux classes
S~
fS~
etS~ g S sont égales
si et seulement si fpeut
s’écrire
sous la forme f =hl
gh 2
9 oùhl,h2
ES~ n’agissent qu’à l’intérieur
des classes de A. Dans cesconditions,
pour toutepermutation t de Ç~,
en
particulier,
, ’-’
Vérifions que f - g
implique l’existence
dehh2
ES
tels que f =h1 g h2.
Construction de
hl
1et h2
2 ,Nous
désignerons
par a laclasse,
dansA,
cPour tout a E
,
soitoù
vérifieCe choix
de B
esttoujours possible.
En effet si f et g ont même tableaud’échange,
g si a E A. etaf
E~.,
n..n’est
pas nul et il y a n..choix
1 J 1J 1J
possibles
pour S.h2
se construit en posantde construire
~1°
~~~ ’COROLLAIRE
Le nombre de tableaux à marges
égales,
de genre P estégal
au nombre declasses
bilatères
de selonSA-
1.3. Dénombrements de tableaux à
marges égales
Le dénombrement des tableaux à marges
égales
P est assezcomplexe
etcelui
des classes bilatères
n’est
pasplus simple.
Toute classebilatère
estunion
de classes à
gauche (et
de classes àdroite)
et a donc pour nombred’éléments
un
multiple
deIs81.
Ce nombred’éléments,
donné par la formule(2)
nepermet
pas decompter
les classespuisqu’elles n’ont
pas toutes le mêmenombre
d’éléments.
Toutefois des fonctions
génératrices permettent
de calculer ce nombre([5]
et[2]) :
Le nombre de tableauxnon-négatifs
noté icidont la i-ème
ligne
et la i-ème colonne a pour sommeni
i E{1,...,r}
est
égal
aucoefficient
dex1 n
1 ...x r nr . YI n
1 ...y r nr
dans leproduit
Ces
fonctions génératrices permettent
enprincipe
de calculerH(nl,...,nr)
lorsque
les(nI,...,nr)
sont donnés mais nefournissent
pas une formulegénérale
ennl,...,nr.
Nous donnons ici des formules dans deux cas
particuliers :
celui où lesni
sont tous
égaux,
avec r =3,4
et celui où r = 3.a)
Cas oùni -
m pour tout i.Des formules ont été données par
Anand,
Dumir etGupta [3]
pour H(m,m,m)
et par Abramson et Moser
[1]
:En outre,
Anand,
Dumir etGupta avaient conjecturé
queH(m,m,...,m) était,
2
pour tout r un
Polynôme
en m dedegré (r-1) .
Cetteconjecture
a étédémontrée par
Stanley [7].
. - 1
Nous avons démontré que le nombre
H(nl,n2,n3)
pourn2, n3 de
tableaux3 x 3
d’entiers
nonnégatifs
tels que la somme de la i-èmeligne
et celle de la i-ème colonne soitégale an.
i E{1,2,3}
était donné par la formule :La preuve est
trop technique
pourfigurer
ici.II. DISTANCE PARTITIONNELLE DANS
S(~)
II.I. Les
partitions associées
à deuxpermutations
DEFINITIONS
Un
triplet (f,g;A)
où f et g sont despermutations
de ~ et A unepartition
de~,
est dit
cohérent si,
pour toutcouple
1 1 de lapartition a,1’égalité
1 suivanteest vérifiée :
On dira encore que f et g sont
cohérentes
sur et on noteraPf
,gl’ensemble
despartitions
surlesquelles
f et g sont cohérentes.Deux
permutations
f et g sont cohérentes sur unepartition A
si elles ontglobalement
la même action sur les classes de A en ce sens que les nombresd’éléments échangés
entre les classes sont lesmêmes
pour f et g.Si la
partition A
est trèsfine, c’esb-à-dire
a ungrand
nombre de classes la cohérence de f et gimplique
une"ressemblance". (Elles
deviennentégales
si A est la
plus
fine despartitions).
Aussi nous intéressons nous, pour lecouple(f,g)aux plus
fines despartitions
surlesquelles
f et g sont cohérentes.PROPOSITION 3
L’ensemble
Pf g
despartitions
de surlesquelles
f et g sont cohérentes est unepartie
finissante dans le treillis despartitions
de ~.Preuve : Montrons que si
(f,g;A)
estcohérent, (f,g;r) l’est
aussi pour outepartition
r de moins fine que A. Toute classer. 1
de r est union de cla:,ses de A.le calcul de
Ir~
1 flru
J donne le mêmerésultat,
etP ,g
est unepartie
finissante
du treillis despartitions
de ~.REMARQUES
Si
et(f,g;A’)
sont cohérents(f,g;A
v~’) l’est aussi.
Par contre(f,g;A
AA’) n’est
pasobligatoirement
cohérent.P- n’est
pastoujours
un
sous-treillis.
Le tableau
d’échange
sedéduit aisément
de(ou
deTf ’1~1)
par
regroupement
delignes
et de colonnescorrespondant
auxregroupements
des classes de A(ou
deA’)
dans A vA’. T fA
v,
, est une"compression"
de et
de
Tf,.
f,A
etT f’Al.
II.2. La distance D
Une
façon d’étudier
une ressemblance entre deuxpermutations
f et gconsiste,
comme nous
l’avons
vuprécédemment,
à chercher lespartitions
lesplus
fines
surlesquelles
f et g sontcohérentes,
aussi posons nous ladéfinition suivante :
DEFINITION
Un
triplet
cohérent(f,g;A)
estdit optimum
si A estminimale
dansl’ensemble
P
despartitions
surlesquelles
f et g sontcohérentes, c’est-à-dire,
en
désignant
parI~f
le nombre de classes de A siOn dira encore
que à
estoptimum
pour(f,g)
et nous définissons la distance D : PROPOSITION 4L’application
D deS(O)
xS(Q) dans]N définie
par :est une distance dans
l’ensemble
despermutations d’un
ensemble Q de cardinal n.2 ° ) D ( f , g) - D(g,f),
évident.3°) Vérifions l’inégalité triangulaire
3ont
cohérents, d’après
laproposition
3 etimplique
que(f,h ;A
vr)
est cohérent mais. , ,
pas
obligatoirement optimum.
On a doncl’inégalité
Dans le treillis des
partitions d’un
ensemble à n élémentsl’inégalité
suivante est
toujours
vraie[4] :
On en déduit :
Construction de la distance D
La recherche de
partitions optimum
pour deuxpermutations
f et gn’est
pas très aisée. Onpeut procéder
1°)
Parbalayage du treillis des partitions de S?
En
commençant
par lapartition
en n classes(qui
n’estoptimum
que si f =g) puis
lespartitions
en n-1 classes etc.c’est-à-dire
en allant desplus
finesaux moins fines. Pour
chaque partition A
écrite en sefixant
un ordre surA
(partition énumérée),
on calcule etT A
et lapremière partition
pourlaquelle
les deux tableauxd’échange
sontégaux
estoptimum.
2°)
parbalayage du groupe S(~2),
en utilisant laproposition
2.A
chaque permutation
h de2 on associe h’ définie par f = h g h’.A
h, (h’)
on associe lapartition A (A’)
de Q selon lescycles
de h(h’).
Il est clair que
h(h’)
conserve A(A’),
donc h ESa (h’
ES~,)
eth,h’ E S~ v a,
,(f,g ; A v A’)
est alors cohérent.A
chaque
h E on associe ainsi unepartition A
v ~’ surlaquelle
f et g sont cohérentset,
enbalayant
onobtient
n!partitions
P vP’, qui
nesont pas toutes
distinctes,
surlesquelles
f et g sont cohérentes.D’où
le lemme suivant .°
LEMME
Les
partitions
r pourlesquelles (f,g;r)
estoptimum
sontparmi
les n!partitions
construites parbalayage
dePre uve :
D’après
laproposition
2 si(f,g;r)
estoptimum,
il existeh,h’E Sr
etf = h g
h’.
Si ondésigne
encorepar A (et A’)
lespartitions
de 0 selon lescycles
de h(h’)
il estclair
queA, et A’
sont despartitions plus
finesque r. Et si
(f,g;r)
estoptimum, l’égalité A
vA’=
r estvérifiée,
etA v A’ est
l’une
despartitions construite
parbalayage
deS(Q).
Les
partitions
surlesquelles
f et g sont cohérentes nefigurent
pas’
obligatoirement
toutes dansl’ensemble
de ces n!partitions,
mais lespartitions optimum
yfigurent
et,d’après
laproposition 3, Pf ~g s’obtient
en
prenant l’ensemble
despartitions
moins fines que cespartitions optimum.
Propriétés de la distance
D1) Distance
àl’identité
La distance entre
l’identité
I et unepermutation
f est :En
effet,
pour toutepartition A, TI 0
, est tel quen.. =
iini
i etn.. =
ij 0 pouri 1 j
et lapartition A
laplus
fine pourlaquelle Tf f,A 0
a cette
propriété
est lapartition
selon lescycles
de f.La distance D
coïncide
pour lescouples (I,f)
avec ladistance
T(cf.
dans ce numérol’article
de G. Cohen et M.Deza) qui correspond
aunombre minimum de
transpositions
faisant passer de I à f.Vérifions
que pour toutcouple (f,g),
D’autre
part
f =f 1
g I et laartition
encycles
def
1 estl’une
des n!
partitions
surlaquelle
f et g sont cohérents. Cettepartition n’est
pas forcément
optimum
etD(f,g) ~
n -({cycles (
=T(f,g).
2)
Invariance par unemême conjugaison
Pour tout
f,
tout g et tout h deD(f,g) = D(h -1 f h, h 1 h)
Preuve :
Rappelons
que si f1
la
décomposition
et
h- 1f
hs’obtient
de lamême façon à partir
de g.On en déduit que si A =
à 5, ... A
est cohérente pour(f,g),
lapartitior
1 1- . 1 r 1
est cohérente pour 1
optimum b optimum
implique l’égalité :
3)
Non invariance par lestranslations
D (hf , hg) n’est
pastoujours égal
àD (f , g) .
Vérifions le sur des
exemples :
D
n’est
pas, nonplus,
invariante par lestranslations
à droite : pour lemême exemple, D(ff,gf) = D(I,(aô) (Sy)) =
2.4)
BoulesB(f,m)
de centre f et de rayon m, m E NLes
distances étant entières,
il suffitd’étudier
les boules fermées.La
propriété d’invariance
parconjugaison implique
quesi
deuxpermutations
f et g sont dans la même classe deconjugaison,
les boulesB(f,m)
etB(g,m)
se déduisentbiunivoquement l’une
del’autre.
Eneffet,
si g =h f h,
D(f,£) =
p ~D(g,h- l£h) =
p etl’application *
>h *h définit
unebijection
entre les éléments deB(f,m)
et ceux deB(g,m).
On construit facilement les boules de rayon 1 car
D(f,g) =
1 si et seulementsi
(f,g;A)
estoptimum
pour unepartition A
en n-1 classesc’est-à-dire
unepartition ayant
une classe à deuxéléments,
parexemple fa,~}
et n-2 classes à un élément.Si t est la
transposition (aa) ,
g = tf ou g = ft ou g = tf t .Les boules
B(f,1) peuvent
donc se construire encalculant,
pour toutes 1estranspositions t,
lespermutations tf,
ft et tft.O d-d . 1 b 1 d 1
n(n-1) 3n(n-1)
_l-
On en déduit que les boules de rayon 1 ont entre
n(
et3n(n-1)
éléments.5)
Permutations à distance n-1Si D(f,g) = n-1,
f estl’identité
et g uncycle
delongueur
n(ou
leconlraire).
En
effet,
sif ~
I etg # I,
il y a trois caspossibles :
a)
3 a, a EQ ;
;af ~
a etag ~
a. Dans ce cas f et g sont cohérents surla
partition A = {a},{~-{a}}
et. La
même partition A convient.
. encore la
même partition A
convient.6) Permutations
à distance 2Nous montrons que si
D(f,g) = 2,
il existe aumoins
unepermutation
hintermédiaire
entre f et g en ce sens queD(f,h)
+D(h,g) = D(f,g) = 2, c’est-
à-dire
ici, D(f,h) = D(h,g) =
1.Preuve :
Si
D(f,g) = 2,
ilexiste
aumoins
unepartition A optimum
pour(f,g)
etn-2.
Cette
partition A peut
être de deuxtypes
différents :a)
G a deux classes6}
à deuxéléments,
et des classes à un élément.b) C
a une classe à trois éléments et des classes à un élément.Dans les deux cas f =
h1g h2
avechiE S6 c’est-à-dire :
. dans le
premier
cas. dans le deuxième cas
Il
a doncvingt cinq
écritures f =h1g h2
àétudier,
dans lepremier
cas ettrente six dans le second.
Nous
n’étudierons qu’un exemple
danschaque
casici,
mais leprocédé
est le mêmepour toutes les écritures
possibles.
7) Intermédiarité ?
Nous avons montré que
"entre"
deuxpermutations
à distance deux il y a au moinsune
permutation,
mais ladémonstration n’est
pas faite pour les distancessupérieures
à 2.La
question
se pose desavoir si
D estgraphique (au
sens de Cohen etDeza,
cenuméro), c’est-à-dire si
entre deuxpermutations
f et g àdistance
m onpeut
trouver des
intermédiaires
8)
Distance et nombre decycles
depermutations
Pour tout ensemble
~,
en notantIfl
le nombre decycles
de f lespropriétés
suivantes sont vérifiées :
Ceci tient au fait que pour toute
transposition
t et toutepermutation
fdistance deux il y a au moins un
intermédiaire.
Exemples
a)
EnsemblePf
,gdes
partitions A
de Q surlesquelles
f et g sont cohérentespartie
finissante du treillis despartitions
deQ,
et tableauxd’échange
T - associes, ~~ ’~’~’~~
f =(ap)(y6),
g =(ay)(66).
°Les
partitions optimum
sont etD(f,g) =
1b)
Ladistance
D pour101
= 3et 101 (
= 4.. Pour Ç2 =
(a,S,y),
deuxpermutations distinctes quelconques
sont à distance 1sauf
D(I,(ay6)) = D(I
2 .. deux
permutations
sont à distance trois si et seulement sil’une
estl’identité
etl’autre l’un
dessix cycles
delongueur quatre.
La distance D est entièrement
déterminée
si onconnait
les boules de rayon 1.Il suffit
d’étudier
les boulesB(f,l)
pour unreprésentant
f de chacune desquatre
classes deconjugaison,
les autres boules sedéduisant
parconjugaison.
Dans
l’écriture cyclique
despermutations
onomettra les points fixes.
On vérifie que la
distance
D estgraphique
pour/QI=
3et (Q/=4.
III. GENERALISATIONS
Pour terminer
signalons
que cetravail peut être généralisé
dans deuxdirections 1°)
Distance dansl’ensemble
desgraphes ayant même
ensemble de sommets etmêm
nombre pd’arêtes.
A
chaque partition A =
de n et àchaque graphe G à p arêtes
onassocie
encore le tableau
d’échange
"T d’entiers n..
oùn..
est le nombred’arêtes
G,A
J Jallant de A. dans 0. et avec les
mêmes notations
queprécédemment D(G,G’)=
i J
où 6 est
optimum
pour(G,G’), définit
unedistance.
’
Cette
construction peut être
étendue àl’ensemble
desgraphes
de sommets Q : :si GI
est le nombred’arêtes
de G etsi
on se donne unordre,pour chaque partition A,sur l’ensemble
des tableauxd’échange T
enposant
On
construit
alors unindice de proximité
dansl’ensemble
desgraphes d’arêtes
~ en
posant I(G,G’) =
n -JAI
où A estoptimum
pourG’.
Il
n’est
pasprouvé
que I soit unedistance mais
onpeut
en déduire une enprenant
leplus
court chemin reliant G àG’
etpassant
par desgraphes
dontl’indice
deproximité
est, pour deuxgraphes
successifs sur lechemin, égal
à 1.2°)
Constructiond’un
indice de cohérence attaché à unp-uple
degraphes (ou
depermutations),
et de résumés dep-graphes.
Pour tout
p-uple
depermutations (f 1...efp)
de Él(ou
degraphes
de sommets Q classés dans
l’ordre
...considère
commeoptimum
lespartitions
minimales A de 0 pourlesquelles
on a :et on
prend
pour indice de cohérence dup-uple,
A
chaque partition A optimum
onpeut
associer ungraphe valué résumé des
pgraphes
enprenant
pour ensemble de sommets,l’ensemble
des classes~1’...’~
1 r de A et entre deux sommetsA.
i et A. j on mettra une arête valuée n.. sin..#
0.1J 1J
BIBLIOGRAPHIE
[1]
ABRAMSONM.,
MOSERW.O.J., "Arrays
with fixed row and columnsums",
Discrete Math. (1), 1973,
pp. 1-14.[2]
ADALBERTKERBER, Representations of permutation
groups, NewYork, Springer Verlag,
1971.[3]
ANANDH.,
DUMIRV.C.,
GUPTAH., "A combinatorial
distributionproblem",
Duke Math. J.,
33(1966),
pp. 757-769.[4]
BARBUTM.,
MONJARDETB., Ordre
etclassification. Algèbre
etcombinatoire, Paris,
HachetteUniversité,
1970.[5]
MAC MAHONP.A., Combinatory analysis,
Vol.11, Cambridge, Cambridge University Press, 1916,
réédité en 1960.[6]
MARSHALL HallJr., Combinatorial theory,
BlaisdellPublishing Company,
1967.