Add note that the lapack package needs to loaded to get the functions.
[maxima.git] / doc / info / combinatorics.texi
blob74c82a90cbe8ff435fd974d452a8e761cf1c1a7f
1 @menu
2 * Introduction to combinatorics::
3 * Functions and Variables for Combinatorics::       
4 @end menu
6 @node Introduction to combinatorics, Functions and Variables for Combinatorics, Package combinatorics, Package combinatorics
7 @section Package combinatorics
9 The @code{combinatorics} package provides several functions to work with
10 permutations and to permute elements of a list. The permutations of
11 degree @emph{n} are all the @emph{n}! possible orderings of the first
12 @emph{n} positive integers, 1, 2, @dots{}, @emph{n}. The functions in this
13 packages expect a permutation to be represented by a list of those
14 integers.
16 Cycles are represented as a list of two or more integers @emph{i_1},
17 @emph{i_2}, @dots{}, @emph{i_m}, all different. Such a list represents a permutation
18 where the integer @emph{i_2} appears in the @emph{i_1}th position, the
19 integer @emph{i_3} appears in the @emph{i_2}th position and so on, until
20 the integer @emph{i_1}, which appears in the @emph{i_m}th position.
22 For instance, [4, 2, 1, 3] is one of the 24 permutations of degree four,
23 which can also be represented by the cycle [1, 4, 3]. The functions
24 where cycles are used to represent permutations also require the
25 order of the permutation to avoid ambiguity. For instance, the same
26 cycle [1, 4, 3] could refer to the permutation of order 6: [4, 2, 1, 3, 5,
27 6]. A product of cycles must be represented by a list of cycles; the
28 cycles at the end of the list are applied first. For example, [[2,
29 4], [1, 3, 6, 5]] is equivalent to the permutation [3, 4, 6, 2, 1, 5].
31 A cycle can be written in several ways. for instance, [1, 3, 6, 5], [3,
32 6, 5, 1] and [6, 5, 1, 3] are all equivalent. The canonical form used in
33 the package is the one that places the lowest index in the first
34 place. A cycle with only two indices is also called a transposition and
35 if the two indices are consecutive, it is called an adjacent
36 transposition.
38 To run an interactive tutorial, use the command @code{demo
39 (combinatorics)}. Since this is an additional package, it must be loaded
40 with the command @code{load("combinatorics")}.
43 @opencatbox{Categories:}
44 @category{Share packages}
45 @category{Package combinatorics}
46 @closecatbox
48 @node Functions and Variables for Combinatorics,  , Introduction to combinatorics, Package combinatorics
49 @section Functions and Variables for Combinatorics
51 @anchor{apply_cycles}
52 @deffn {Function} apply_cycles (@var{cl},@var{l})
54 Permutes the list or set @var{l} applying to it the list of cycles
55 @var{cl}. The cycles at the end of the list are applied first and the
56 first cycle in the list @var{cl} is the last one to be applied.
58 See also @mrefdot{permute}
60 Example:
62 @c ===beg===
63 @c load("combinatorics")$
64 @c lis1:[a,b*c^2,4,z,x/y,1/2,ff23(x),0];
65 @c apply_cycles ([[1, 6], [2, 6, 5, 7]], lis1);
66 @c ===end===
67 @example
68 (%i1) load("combinatorics")$
69 @group
70 (%i2) lis1:[a,b*c^2,4,z,x/y,1/2,ff23(x),0];
71                         2        x  1
72 (%o2)            [a, b c , 4, z, -, -, ff23(x), 0]
73                                  y  2
74 @end group
75 @group
76 (%i3) apply_cycles ([[1, 6], [2, 6, 5, 7]], lis1);
77                   x  1                       2
78 (%o3)            [-, -, 4, z, ff23(x), a, b c , 0]
79                   y  2
80 @end group
81 @end example
83 @opencatbox{Categories:}
84 @category{Package combinatorics}
85 @closecatbox
87 @end deffn
89 @anchor{cyclep}
90 @deffn {Function} cyclep (@var{c}, @var{n})
92 Returns true if @var{c} is a valid cycle of order @var{n} namely, a list
93 of non-repeated positive integers less or equal to @var{n}. Otherwise,
94 it returns false.
96 See also @mrefdot{permp}
98 Examples:
100 @c ===beg===
101 @c load("combinatorics")$
102 @c cyclep ([-2,3,4], 5);
103 @c cyclep ([2,3,4,2], 5);
104 @c cyclep ([6,3,4], 5);
105 @c cyclep ([6,3,4], 6);
106 @c ===end===
107 @example
108 (%i1) load("combinatorics")$
109 @group
110 (%i2) cyclep ([-2,3,4], 5);
111 (%o2)                          false
112 @end group
113 @group
114 (%i3) cyclep ([2,3,4,2], 5);
115 (%o3)                          false
116 @end group
117 @group
118 (%i4) cyclep ([6,3,4], 5);
119 (%o4)                          false
120 @end group
121 @group
122 (%i5) cyclep ([6,3,4], 6);
123 (%o5)                          true
124 @end group
125 @end example
127 @opencatbox{Categories:}
128 @category{Package combinatorics}
129 @closecatbox
131 @end deffn
133 @anchor{perm_cycles}
134 @deffn {Function} perm_cycles (@var{p})
136 Returns permutation @var{p} as a product of cycles. The cycles are
137 written in a canonical form, in which the lowest index in the cycle is
138 placed in the first position.
140 See also @mrefdot{perm_decomp}
142 Example:
144 @c ===beg===
145 @c load("combinatorics")$
146 @c perm_cycles ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
147 @c ===end===
148 @example
149 (%i1) load("combinatorics")$
150 @group
151 (%i2) perm_cycles ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
152 (%o2)                 [[1, 4], [2, 6, 5, 7]]
153 @end group
154 @end example
156 @opencatbox{Categories:}
157 @category{Package combinatorics}
158 @closecatbox
160 @end deffn
162 @anchor{perm_decomp}
163 @deffn {Function} perm_decomp (@var{p})
165 Returns the minimum set of adjacent transpositions whose product equals
166 the given permutation @var{p}.
168 See also @mrefdot{perm_cycles}
170 Example:
172 @c ===beg===
173 @c load("combinatorics")$
174 @c perm_decomp ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
175 @c ===end===
176 @example
177 (%i1) load("combinatorics")$
178 @group
179 (%i2) perm_decomp ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
180 (%o2) [[6, 7], [5, 6], [6, 7], [3, 4], [4, 5], [2, 3], [3, 4], 
181                             [4, 5], [5, 6], [1, 2], [2, 3], [3, 4]]
182 @end group
183 @end example
185 @opencatbox{Categories:}
186 @category{Package combinatorics}
187 @closecatbox
189 @end deffn
191 @anchor{perm_inverse}
192 @deffn {Function} perm_inverse (@var{p})
194 Returns the inverse of a permutation of @var{p}, namely, a permutation
195 @var{q} such that the products @var{pq} and @var{qp} are equal to the
196 identity permutation: [1, 2, 3, @dots{}, @var{n}], where @var{n} is the
197 length of @var{p}.
199 See also @mrefdot{permult}
201 Example:
203 @c ===beg===
204 @c load("combinatorics")$
205 @c perm_inverse ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
206 @c ===end===
207 @example
208 (%i1) load("combinatorics")$
209 @group
210 (%i2) perm_inverse ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
211 (%o2)                [4, 7, 3, 1, 6, 2, 5, 8]
212 @end group
213 @end example
215 @opencatbox{Categories:}
216 @category{Package combinatorics}
217 @closecatbox
219 @end deffn
221 @anchor{perm_length}
222 @deffn {Function} perm_length (@var{p})
224 Determines the minimum number of adjacent transpositions necessary to
225 write permutation @var{p} as a product of adjacent transpositions. An
226 adjacent transposition is a cycle with only two numbers, which are
227 consecutive integers.
229 See also @mrefdot{perm_decomp}
231 Example:
233 @c ===beg===
234 @c load("combinatorics")$
235 @c perm_length ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
236 @c ===end===
237 @example
238 (%i1) load("combinatorics")$
239 @group
240 (%i2) perm_length ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
241 (%o2)                           12
242 @end group
243 @end example
245 @opencatbox{Categories:}
246 @category{Package combinatorics}
247 @closecatbox
249 @end deffn
251 @anchor{perm_lex_next}
252 @deffn {Function} perm_lex_next (@var{p})
254 Returns the permutation that comes after the given permutation @var{p},
255 in the sequence of permutations in lexicographic order.
257 Example:
259 @c ===beg===
260 @c load("combinatorics")$
261 @c perm_lex_next ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
262 @c ===end===
263 @example
264 (%i1) load("combinatorics")$
265 @group
266 (%i2) perm_lex_next ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
267 (%o2)                [4, 6, 3, 1, 7, 5, 8, 2]
268 @end group
269 @end example
271 @opencatbox{Categories:}
272 @category{Package combinatorics}
273 @closecatbox
275 @end deffn
277 @anchor{perm_lex_rank}
278 @deffn {Function} perm_lex_rank (@var{p})
280 Finds the position of permutation @var{p}, an integer from 1 to the
281 degree @var{n} of the permutation, in the sequence of permutations in
282 lexicographic order.
284 See also @mref{perm_lex_unrank} and @mrefdot{perms_lex}
286 Example:
288 @c ===beg===
289 @c load("combinatorics")$
290 @c perm_lex_rank ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
291 @c ===end===
292 @example
293 (%i1) load("combinatorics")$
294 @group
295 (%i2) perm_lex_rank ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
296 (%o2)                          18255
297 @end group
298 @end example
300 @opencatbox{Categories:}
301 @category{Package combinatorics}
302 @closecatbox
304 @end deffn
306 @anchor{perm_lex_unrank}
307 @deffn {Function} perm_lex_unrank (@var{n}, @var{i})
309 Returns the @emph{n}-degree permutation at position @var{i} (from 1 to
310 @emph{n}!) in the lexicographic ordering of permutations.
312 See also @mref{perm_lex_rank} and @mrefdot{perms_lex}
314 Example:
316 @c ===beg===
317 @c load("combinatorics")$
318 @c perm_lex_unrank (8, 18255);
319 @c ===end===
320 @example
321 (%i1) load("combinatorics")$
322 @group
323 (%i2) perm_lex_unrank (8, 18255);
324 (%o2)                [4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]
325 @end group
326 @end example
328 @opencatbox{Categories:}
329 @category{Package combinatorics}
330 @closecatbox
332 @end deffn
334 @anchor{perm_next}
335 @deffn {Function} perm_next (@var{p})
337 Returns the permutation that comes after the given permutation @var{p},
338 in the sequence of permutations in Trotter-Johnson order.
340 See also @mrefdot{perms}
342 Example:
344 @c ===beg===
345 @c load("combinatorics")$
346 @c perm_next ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
347 @c ===end===
348 @example
349 (%i1) load("combinatorics")$
350 @group
351 (%i2) perm_next ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
352 (%o2)                [4, 6, 3, 1, 7, 5, 8, 2]
353 @end group
354 @end example
356 @opencatbox{Categories:}
357 @category{Package combinatorics}
358 @closecatbox
360 @end deffn
362 @anchor{perm_parity}
363 @deffn {Function} perm_parity (@var{p})
365 Finds the parity of permutation @var{p}: 0 if the minimum number of
366 adjacent transpositions necessary to write permutation @var{p} as a
367 product of adjacent transpositions is even, or 1 if that number is odd.
369 See also @mrefdot{perm_decomp}
371 Example:
373 @c ===beg===
374 @c load("combinatorics")$
375 @c perm_parity ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
376 @c ===end===
377 @example
378 (%i1) load("combinatorics")$
379 @group
380 (%i2) perm_parity ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
381 (%o2)                            0
382 @end group
383 @end example
385 @opencatbox{Categories:}
386 @category{Package combinatorics}
387 @closecatbox
389 @end deffn
391 @anchor{perm_rank}
392 @deffn {Function} perm_rank (@var{p})
394 Finds the position of permutation @var{p}, an integer from 1 to the
395 degree @var{n} of the permutation, in the sequence of permutations in
396 Trotter-Johnson order.
398 See also @mref{perm_unrank} and @mrefdot{perms}
400 Example:
402 @c ===beg===
403 @c load("combinatorics")$
404 @c perm_rank ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
405 @c ===end===
406 @example
407 (%i1) load("combinatorics")$
408 @group
409 (%i2) perm_rank ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]);
410 (%o2)                          19729
411 @end group
412 @end example
414 @opencatbox{Categories:}
415 @category{Package combinatorics}
416 @closecatbox
418 @end deffn
420 @anchor{perm_undecomp}
421 @deffn {Function} perm_undecomp (@var{cl}, @var{n})
423 Converts the list of cycles @var{cl} of degree @var{n} into an @var{n}
424 degree permutation, equal to their product.
426 See also @mrefdot{perm_decomp}
428 Example:
430 @c ===beg===
431 @c load("combinatorics")$
432 @c perm_undecomp ([[1,6],[2,6,5,7]], 8);
433 @c ===end===
434 @example
435 (%i1) load("combinatorics")$
436 @group
437 (%i2) perm_undecomp ([[1,6],[2,6,5,7]], 8);
438 (%o2)                [5, 6, 3, 4, 7, 1, 2, 8]
439 @end group
440 @end example
442 @opencatbox{Categories:}
443 @category{Package combinatorics}
444 @closecatbox
446 @end deffn
448 @anchor{perm_unrank}
449 @deffn {Function} perm_unrank (@var{n}, @var{i})
451 Returns the @emph{n}-degree permutation at position @var{i} (from 1 to
452 @emph{n}!) in the Trotter-Johnson ordering of permutations.
454 See also @mref{perm_rank} and @mrefdot{perms}
456 Example:
458 @c ===beg===
459 @c load("combinatorics")$
460 @c perm_unrank (8, 19729);
461 @c ===end===
462 @example
463 (%i1) load("combinatorics")$
464 @group
465 (%i2) perm_unrank (8, 19729);
466 (%o2)                [4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8]
467 @end group
468 @end example
470 @opencatbox{Categories:}
471 @category{Package combinatorics}
472 @closecatbox
474 @end deffn
476 @anchor{permp}
477 @deffn {Function} permp (@var{p})
479 Returns true if @var{p} is a valid permutation namely, a list of length
480 @var{n}, whose elements are all the positive integers from 1 to @var{n},
481 without repetitions. Otherwise, it returns false.
483 Examples:
485 @c ===beg===
486 @c load("combinatorics")$
487 @c permp ([2,0,3,1]);
488 @c permp ([2,1,4,3]);
489 @c ===end===
490 @example
491 (%i1) load("combinatorics")$
492 @group
493 (%i2) permp ([2,0,3,1]);
494 (%o2)                          false
495 @end group
496 @group
497 (%i3) permp ([2,1,4,3]);
498 (%o3)                          true
499 @end group
500 @end example
502 @opencatbox{Categories:}
503 @category{Package combinatorics}
504 @closecatbox
506 @end deffn
508 @anchor{perms}
509 @deffn {Function} perms @
510 @fname{perms} (@var{n}) @
511 @fname{perms} (@var{n}, @var{i}) @
512 @fname{perms} (@var{n}, @var{i}, @var{j})
514 @code{perms(@var{n})} returns a list of all
515 @emph{n}-degree permutations in the so-called Trotter-Johnson order.
517 @code{perms(@var{n}, @var{i})} returns the @emph{n}-degree
518 permutation which is at the @emph{i}th position (from 1 to @emph{n}!) in
519 the Trotter-Johnson ordering of the permutations.
521 @code{perms(@var{n}, @var{i}, @var{j})} returns a list of the @emph{n}-degree
522 permutations between positions @var{i} and @var{j} in the Trotter-Johnson
523 ordering of the permutations.
525 The sequence of permutations in Trotter-Johnson order starts with the
526 identity permutation and each consecutive permutation can be obtained
527 from the previous one a by single adjacent transposition.
529 See also @mref{perm_next}, @mref{perm_rank} and @mrefdot{perm_unrank}
531 Examples:
533 @c ===beg===
534 @c load("combinatorics")$
535 @c perms (4);
536 @c perms (4, 12);
537 @c perms (4, 12, 14);
538 @c ===end===
539 @example
540 (%i1) load("combinatorics")$
541 @group
542 (%i2) perms (4);
543 (%o2) [[1, 2, 3, 4], [1, 2, 4, 3], [1, 4, 2, 3], [4, 1, 2, 3], 
544 [4, 1, 3, 2], [1, 4, 3, 2], [1, 3, 4, 2], [1, 3, 2, 4], 
545 [3, 1, 2, 4], [3, 1, 4, 2], [3, 4, 1, 2], [4, 3, 1, 2], 
546 [4, 3, 2, 1], [3, 4, 2, 1], [3, 2, 4, 1], [3, 2, 1, 4], 
547 [2, 3, 1, 4], [2, 3, 4, 1], [2, 4, 3, 1], [4, 2, 3, 1], 
548 [4, 2, 1, 3], [2, 4, 1, 3], [2, 1, 4, 3], [2, 1, 3, 4]]
549 @end group
550 @group
551 (%i3) perms (4, 12);
552 (%o3)                     [[4, 3, 1, 2]]
553 @end group
554 @group
555 (%i4) perms (4, 12, 14);
556 (%o4)       [[4, 3, 1, 2], [4, 3, 2, 1], [3, 4, 2, 1]]
557 @end group
558 @end example
560 @opencatbox{Categories:}
561 @category{Package combinatorics}
562 @closecatbox
564 @end deffn
566 @anchor{perms_lex}
567 @deffn {Function} perms_lex @
568 @fname{perms_lex} (@var{n}) @
569 @fname{perms_lex} (@var{n}, @var{i}) @
570 @fname{perms_lex} (@var{n}, @var{i}, @var{j})
572 @code{perms_lex(@var{n})} returns a list of all
573 @emph{n}-degree permutations in the so-called lexicographic order.
575 @code{perms_lex(@var{n}, @var{i})} returns the @emph{n}-degree
576 permutation which is at the @emph{i}th position (from 1 to @emph{n}!) in
577 the lexicographic ordering of the permutations.
579 @code{perms_lex(@var{n}, @var{i}, @var{j})} returns a list of the @emph{n}-degree
580 permutations between positions @var{i} and @var{j} in the lexicographic
581 ordering of the permutations.
583 The sequence of permutations in lexicographic order starts with all the
584 permutations with the lowest index, 1, followed by all permutations
585 starting with the following index, 2, and so on. The permutations
586 starting by an index @emph{i} are the permutations of the first @emph{n}
587 integers different from @emph{i} and they are also placed in
588 lexicographic order, where the permutations with the lowest of those
589 integers are placed first and so on.
591 See also @mref{perm_lex_next}, @mref{perm_lex_rank} and
592 @mrefdot{perm_lex_unrank}
594 Examples:
596 @c ===beg===
597 @c load("combinatorics")$
598 @c perms_lex (4);
599 @c perms_lex (4, 12);
600 @c perms_lex (4, 12, 14);
601 @c ===end===
602 @example
603 (%i1) load("combinatorics")$
604 @group
605 (%i2) perms_lex (4);
606 (%o2) [[1, 2, 3, 4], [1, 2, 4, 3], [1, 3, 2, 4], [1, 3, 4, 2], 
607 [1, 4, 2, 3], [1, 4, 3, 2], [2, 1, 3, 4], [2, 1, 4, 3], 
608 [2, 3, 1, 4], [2, 3, 4, 1], [2, 4, 1, 3], [2, 4, 3, 1], 
609 [3, 1, 2, 4], [3, 1, 4, 2], [3, 2, 1, 4], [3, 2, 4, 1], 
610 [3, 4, 1, 2], [3, 4, 2, 1], [4, 1, 2, 3], [4, 1, 3, 2], 
611 [4, 2, 1, 3], [4, 2, 3, 1], [4, 3, 1, 2], [4, 3, 2, 1]]
612 @end group
613 @group
614 (%i3) perms_lex (4, 12);
615 (%o3)                     [[2, 4, 3, 1]]
616 @end group
617 @group
618 (%i4) perms_lex (4, 12, 14);
619 (%o4)       [[2, 4, 3, 1], [3, 1, 2, 4], [3, 1, 4, 2]]
620 @end group
621 @end example
623 @opencatbox{Categories:}
624 @category{Package combinatorics}
625 @closecatbox
627 @end deffn
629 @anchor{permult}
630 @deffn {Function} permult (@var{p_1}, @dots{}, @var{p_m})
632 Returns the product of two or more permutations @var{p_1}, @dots{}, @var{p_m}.
634 Example:
636 @c ===beg===
637 @c load("combinatorics")$
638 @c permult ([2,3,1], [3,1,2], [2,1,3]);
639 @c ===end===
640 @example
641 (%i1) load("combinatorics")$
642 @group
643 (%i2) permult ([2,3,1], [3,1,2], [2,1,3]);
644 (%o2)                        [2, 1, 3]
645 @end group
646 @end example
648 @opencatbox{Categories:}
649 @category{Package combinatorics}
650 @closecatbox
652 @end deffn
654 @anchor{permute}
655 @deffn {Function} permute (@var{p}, @var{l})
657 Applies the permutation @var{p} to the elements of the list (or set)
658 @var{l}.
660 Example:
662 @c ===beg===
663 @c load("combinatorics")$
664 @c lis1: [a,b*c^2,4,z,x/y,1/2,ff23(x),0];
665 @c permute ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8], lis1);
666 @c ===end===
667 @example
668 (%i1) load("combinatorics")$
669 @group
670 (%i2) lis1: [a,b*c^2,4,z,x/y,1/2,ff23(x),0];
671                         2        x  1
672 (%o2)            [a, b c , 4, z, -, -, ff23(x), 0]
673                                  y  2
674 @end group
675 @group
676 (%i3) permute ([4, 6, 3, 1, 7, 5, 2, 8], lis1);
677                      1                 x     2
678 (%o3)            [z, -, 4, a, ff23(x), -, b c , 0]
679                      2                 y
680 @end group
681 @end example
683 @opencatbox{Categories:}
684 @category{Package combinatorics}
685 @closecatbox
687 @end deffn
689 @anchor{random_perm}
690 @deffn {Function} random_perm (@var{n})
692 Returns a random permutation of degree @var{n}.
694 See also @mrefdot{random_permutation}
696 Example:
698 @c ===beg===
699 @c load("combinatorics")$
700 @c random_perm (7);
701 @c ===end===
702 @example
703 (%i1) load("combinatorics")$
704 @group
705 (%i2) random_perm (7);
706 (%o2)                  [6, 3, 4, 7, 5, 1, 2]
707 @end group
708 @end example
710 @opencatbox{Categories:}
711 @category{Package combinatorics}
712 @closecatbox
714 @end deffn