Lemma von Burnside

Das Lemma von Burnside drückt die Anzahl der Orbits einer (meist) endlichen Gruppe ${\displaystyle G}$, die auf einer Menge ${\displaystyle X}$ wirkt (siehe Gruppenwirkung), durch ein Mittel über die Fixpunkte zu den einzelnen Gruppenelementen aus.

Die Benennung nach William Burnside ist eigentlich falsch, er erwähnt den Satz in seinem Buch On the theory of groups of finite order von 1897, schreibt ihn dort aber Ferdinand Georg Frobenius (1887) zu. Das Lemma war aber schon Augustin Louis Cauchy (1845) bekannt und heißt deshalb manchmal auch Cauchy-Frobenius-Lemma. Auch die Bezeichnung Abzählsatz von Burnside ist verbreitet, da er eine Vorstufe des Abzählsatzes von Pólya (1937) ist, eine Verfeinerung und Erweiterung des Lemmas von Burnside.

Sei ${\displaystyle G}$ eine endliche Gruppe, die auf einer Menge ${\displaystyle X}$ operiert, ${\displaystyle X^{g}}$ die Menge der Fixpunkte in ${\displaystyle X}$ unter dem Gruppenelement ${\displaystyle g\in G}$ (${\displaystyle X^{g}=\{x\in X:gx=x\}}$). Dann gilt für die Anzahl ${\displaystyle |X/G|}$ der Orbits (Bahnen von Punkten, die bei Wirkung von ${\displaystyle G}$ auf ${\displaystyle X}$ auseinander hervorgehen) der Wirkung von ${\displaystyle G}$ auf ${\displaystyle X}$:

${\displaystyle |X/G|={\frac {1}{|G|}}\sum _{g\in G}|X^{g}|}$.

Die Bezeichnung Lemma von Burnside ist nicht ganz eindeutig.

Der Beweis beruht auf der Identität

${\displaystyle \sum _{g\in G}|X^{g}|=|\{(g,x)\in G\times X\mid g\cdot x=x\}|=\sum _{x\in X}|G_{x}|}$,

wobei ${\displaystyle G_{x}}$ die Stabilisator-Untergruppe zu ${\displaystyle x}$ ist (${\displaystyle G_{x}=\{g\in G:gx=x\}}$). Das Lemma folgt durch Anwendung der Bahnformel mit Berücksichtigung der Tatsache, dass ${\displaystyle X}$ die disjunkte Vereinigung der Orbits ist.