Konstruktion endlicher Strukturen
Im Rahmen des hier geplanten Forschungsvorhabens sollten verschiedene Untersuchungen aus der Dissertation [7][6] von Herrn Dr. H. Fripertinger fortgesetzt werden. Es handelt sich dabei um folgende Problemstellungen: Diese neuen Fragestellungen sind zum Teil auf natürliche Weise aus der Dissertation hervorgegangen, zum anderen aber auch in Diskussionen mit Herrn Prof. Dr. A. Kerber (Universität Bayreuth) und Herrn Dr. habil. G. Mazzola (ETH Zürich) angeregt worden. Zusammenfassend kann man die Aufgaben als
konstruktive Aspekte endlicher Strukturen
bezeichnen. Einführend soll nun anhand eines trivialen Beispiels -- der Färbung der Seitenflächen eines Würfels -- eine grundlegende Methode, die Abzähltheorie von Pólya [22][23], vorgestellt werden: Es sei ein Würfel gegeben, dessen Seitenflächen rot oder blau gefärbt sein sollen. Zwei Würfel werden als wesentlich verschieden bezeichnet, falls man den einen Würfel nicht durch beliebige Drehung in den anderen überführen kann. Es können Fälle auftreten, daß zwei Würfel verschieden gefärbt sind, wenn jedoch einer von ihnen gedreht wird, sie gleich aussehen. Wieviele wesentlich verschiedene Würfelfärbungen gibt es? Diese Fragestellung kann noch ohne Verwendung der mathematischen Theorie gelöst werden. Man erhält dabei die folgende Aufstellung wesentlich verschiedener Färbungen. In Klammern wird jeweils die Anzahl der verschiedenen Färbungen angegeben, die man durch Rotation des Würfels erhält:
  1. Alle Seitenflächen sind rot. (1)
  2. Fünf Seitenflächen sind rot, eine Seite ist blau. (6)
  3. Zwei gegenüberliegende Seitenflächen sind blau, der Rest ist rot. (3)
  4. Zwei aneinanderstoßende Seitenflächen sind blau, der Rest ist rot. (12)
  5. Drei Seitenflächen um eine Ecke sind rot, die restlichen sind blau. (8)
  6. Zwei gegenüberliegende Seitenflächen und eine weitere sind rot, der Rest ist blau. (12)
  7. Analog zu 4., jedoch sind rot und blau zu vertauschen. (12)
  8. Analog zu 3., jedoch sind rot und blau zu vertauschen. (3)
  9. Analog zu 2., jedoch sind rot und blau zu vertauschen. (6)
  10. Analog zu 1., jedoch sind rot und blau zu vertauschen. (1)
Will man dies nun mathematisch nachvollziehen, so entspricht jeder Färbung des Würfels eine Abbildung f der Form
f:{1,2,...,6} -> {r,b} ,
wobei die 6 Seitenflächen des Würfels mit den Nummern 1,2,...,6 durchnumeriert sind, und {r,b} die Menge der 2 Farben "rot" und "blau" darstellt. Die Rotationen des Würfels bilden eine Gruppe, die Oktaedergruppe W, deren Operation auf den Würfelflächen im Zyklenzeiger Z(W(F)) zusammengefaßt wird.
Z(W(F);x1,x2,... ,x6)=(1)/(24)(x16+3x12x22+6x12 x4+6x23+8x32).
Um die Anzahl der wesentlich verschiedenen Färbungen zu bestimmen, muß man nach dem Hauptsatz von Pólya im Zyklenzeiger Z(W(F)) für xi den Ausdruck |{r,b} |=2 substituieren. Dies liefert nun:
Z(W(F);2,2,...,2)=10.
Interessiert man sich auch für die genauere Gestalt dieser wesentlich verschiedenen Färbungen, so seien nun r und b als Unbestimmte über Q aufgefaßt, dann enthält
Z(W(F);r+b,r2+b2,...,r6+b6)= r6+r5b+2r4b2+2r3b3+2r2b4+rb5+b6
die gewünschte Information. Nicht mehr so trivial ist es, die 2226 wesentlich verschiedenen Färbungen eines Würfels mit 6 Farben f1,f2,...,f6 aus allen möglichen 66= 46656 Färbungen zu bestimmen. Diese werden im folgenden beschrieben: Z(f1+f2+f3+f4+f5+f6,f12+f22+f32+f42+f52+f62,f13+f23+f33+f43+f53+f6 3,f14+f24+f34+f44+f54+f64,f15+f25+f35+f45+f55+f65,f16+f26+f36+f 46+f56+f66)= f16+f15 (f2+f3+f4+f5+f6)+2 f14 (f22+f2 (f3+f4+f5+f6)+f32+f3 (f4+f5+f6)+f4 2+f4 (f5+f6)+f52+f5 f6+f62)+f13 (2 f23+3 f22 (f3+f4+f5+f6)+f2 (3 f32+5 f3 (f4+f5+f6)+3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f33+3 f32 (f4+f5+ f6)+f3 (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f43+3 f42 (f5+f6)+f4 (3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f53+3 f52 f6+3 f5 f62+2 f63)+f12 (2 f24+3 f23 ( f3+f4+f5+f6)+2 f22 (3 f32+4 f3 (f4+f5+f6)+3 f42+4 f4 (f5+f6)+3 f52+4 f5 f6 +3 f62)+f2 (3 f33+8 f32 (f4+f5+f6)+f3 (8 f42+15 f4 (f5+f6)+8 f52+15 f5 f6 +8 f62)+(f4+f5+f6) (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62))+2 f34+3 f33 (f4+f5+f6)+2 f32 (3 f42+4 f4 (f5+f6)+3 f52+4 f5 f6+3 f62)+f3 (f4+f5+f6) ( 3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f44+3 f43 (f5+f6)+2 f42 (3 f5 2+4 f5 f6+3 f62)+f4 (f5+f6) (3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f54+3 f53 f6+6 f52 f 62+3 f5 f63+2 f64)+f1 (f25+2 f24 (f3+f4+f5+f6)+f23 (3 f32+5 f3 (f4+f5+f 6)+3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+f22 (3 f33+8 f32 (f4+f5+f6)+f 3 (8 f42+15 f4 (f5+f6)+8 f52+15 f5 f6+8 f62)+(f4+f5+f6) (3 f42+5 f4 (f5+f6 )+3 f52+5 f5 f6+3 f62))+f2 (2 f34+5 f33 (f4+f5+f6)+f32 (8 f42+15 f4 (f5+ f6)+8 f52+15 f5 f6+8 f62)+5 f3 (f4+f5+f6)3+2 f44+5 f43 (f5+f6)+f42 (8 f5 2+15 f5 f6+8 f62)+5 f4 (f5+f6)3+2 f54+5 f53 f6+8 f52 f62+5 f5 f63+2 f6 4)+f35+2 f34 (f4+f5+f6)+f33 (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+f3 2 (f4+f5+f6) (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+f3 (2 f44+5 f43 (f 5+f6)+f42 (8 f52+15 f5 f6+8 f62)+5 f4 (f5+f6)3+2 f54+5 f53 f6+8 f52 f6 2+5 f5 f63+2 f64)+(f4+f5+f6) (f44+f43 (f5+f6)+f42 (2 f52+3 f5 f6+2 f62) +f4 (f5+f6)3+f54+f53 f6+2 f52 f62+f5 f63+f64))+f26+f25 (f3+f4+f5+f6)+ 2 f24 (f32+f3 (f4+f5+f6)+f42+f4 (f5+f6)+f52+f5 f6+f62)+f23 (2 f33+3 f3 2 (f4+f5+f6)+f3 (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f43+3 f42 (f5+ f6)+f4 (3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f53+3 f52 f6+3 f5 f62+2 f63)+f22 (2 f34 +3 f33 (f4+f5+f6)+2 f32 (3 f42+4 f4 (f5+f6)+3 f52+4 f5 f6+3 f62)+f3 (f4+f 5+f6) (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f44+3 f43 (f5+f6)+2 f42 (3 f52+4 f5 f6+3 f62)+f4 (f5+f6) (3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f54+3 f53 f6+6 f52 f62+3 f5 f63+2 f64)+f2 (f35+2 f34 (f4+f5+f6)+f33 (3 f42+5 f4 (f5+ f6)+3 f52+5 f5 f6+3 f62)+f32 (f4+f5+f6) (3 f42+5 f4 (f5+f6)+3 f52+5 f5 f6 +3 f62)+f3 (2 f44+5 f43 (f5+f6)+f42 (8 f52+15 f5 f6+8 f62)+5 f4 (f5+f6) 3+2 f54+5 f53 f6+8 f52 f62+5 f5 f63+2 f64)+(f4+f5+f6) (f44+f43 (f5+f6) +f42 (2 f52+3 f5 f6+2 f62)+f4 (f5+f6)3+f54+f53 f6+2 f52 f62+f5 f63+f6 4))+f36+f35 (f4+f5+f6)+2 f34 (f42+f4 (f5+f6)+f52+f5 f6+f62)+f33 (2 f4 3+3 f42 (f5+f6)+f4 (3 f52+5 f5 f6+3 f62)+2 f53+3 f52 f6+3 f5 f62+2 f63) +f32 (2 f44+3 f43 (f5+f6)+2 f42 (3 f52+4 f5 f6+3 f62)+f4 (f5+f6) (3 f52 +5 f5 f6+3 f62)+2 f54+3 f53 f6+6 f52 f62+3 f5 f63+2 f64)+f3 (f4+f5+f6) (f44+f43 (f5+f6)+f42 (2 f52+3 f5 f6+2 f62)+f4 (f5+f6)3+f54+f53 f6+2 f5 2 f62+f5 f63+f64)+f46+f45 (f5+f6)+2 f44 (f52+f5 f6+f62)+f43 (2 f53+ 3 f52 f6+3 f5 f62+2 f63)+f42 (2 f54+3 f53 f6+6 f52 f62+3 f5 f63+2 f6 4)+f4 (f5+f6) (f54+f53 f6+2 f52 f62+f5 f63+f64)+f56+f55 f6+2 f54 f62 +2 f53 f63+2 f52 f64+f5 f65+f66. Nun aber zurück zur Situation mit 2 Farben. Es könnte Situationen geben, daß zwei wesentlich verschiedene Färbungen als gleich angesehen werden, falls man die eine durch Vertauschen der Farben aus der anderen erhält. Dieses Problem löst ein Satz von N.G. de Bruijn (siehe [4]), der angewendet auf dieses Beispiel folgende Formel liefert:
Z.(W(F);()/(x1),()/( x2),...,()/( x6))Z(S2;es1,es2) | x1=x2=...=x6=0,
wobei sj:=xj+x2j+.... Diese Formel liefert als Ergebnis, daß es 6 wesentlich verschiedene Färbungen gibt. Eine andere Formel von N.G. de Bruijn [4] erlaubt die Anzahl der wesentlich verschiedenen Färbungen zu berechnen, die bei Vertauschung der zwei Farben rot und blau nicht verändert werden. Diese Anzahl errechnet man als
Z(W(F);0,2,0,2,0,2)=2.
Die hier und im folgenden dargestellte Theorie erlaubt verschiedenste Anwendungen: Bereits Pólya widmete in seiner berühmten Arbeit [22] den Anwendungen in der Graphentheorie (als mathematische Anwendung) und in der Chemie (zur Bestimmung der maximalen Anzahl von Isomeren und ähnlichen Berechnungen) große Abschnitte. Auf diesen Gebieten erschien seitdem eine wahre Flut von Publikationen. Es gibt z.B. auch Anwendungen dieser Theorie zur Klassifikation von Schaltfunktionen und Boolschen Funktionen [28][11]. Herr Kerber befaßte sich mit Anwendungen in der Begriffsanalyse [17] und plant eine Publikation mit Anwendungen in der Physik (bei Bestimmung von Kristallstrukturen oder Spin-Konfigurationen). Abschließend sei noch auf Anwendungen in der Musiktheorie [26][10][9][8], bei Telekommunikations-Netzwerken [2] in der Zahlentheorie [3] oder beim Abzählen von Lateinischen Quadraten [15] hingewiesen. Im folgenden Abschnitt sollen nun der Stand der Forschung und die Problemstellung genau dargelegt werden.
  • Problemstellung und Stand der Forschung
  • Projektziele
  • Angaben zur Forschungsstätte und zu beantragten Förderungsmitteln
  • Angabe über Subventionen von dritter Seite
  • Kostenübersicht
  • Kooperationen und Verwertung
  • References

  • harald.fripertinger@kfunigraz.ac.at,
    last changed: January 28, 2002