Набор Салема – Спенсера

В математике, и в частности в арифметической комбинаторике , множество Салема-Спенсера — это набор чисел, никакие три из которых не образуют арифметическую прогрессию . Наборы Салема-Спенсера также называют последовательностями без 3-AP или наборами без прогрессий . Их еще называют неусредняющими множествами. [ 1 ] [ 2 ] но этот термин также использовался для обозначения набора целых чисел, ни одно из которых не может быть получено как среднее любого подмножества других чисел. [ 3 ] Множества Салема-Спенсера названы в честь Рафаэля Салема и Дональда К. Спенсера , которые показали в 1942 году, что множества Салема-Спенсера могут иметь почти линейный размер. Однако более поздняя теорема Клауса Рота показывает, что размер всегда меньше линейного.
Примеры
[ редактировать ]Для наименьшие значения такие, что числа из к иметь -элемент набора Салема-Спенсера:
Например, среди чисел от 1 до 14 восемь чисел
- {1, 2, 4, 5, 10, 11, 13, 14}
образуют уникальный самый большой набор Салема-Спенсера. [ 4 ]
Этот пример изменен путем добавления одного к элементам бесконечного множества Салема – Спенсера, последовательности Стэнли.
чисел, которые при записи в виде троичного числа используют только цифры 0 и 1. Эта последовательность является лексикографически первым бесконечным множеством Салема – Спенсера. [ 5 ] Еще одно бесконечное множество Салема – Спенсера представляет собой кубы
Это теорема Леонарда Эйлера , что никакие три куба не находятся в арифметической прогрессии. [ 6 ]
Размер
[ редактировать ]В 1942 году Салем и Спенсер опубликовали доказательство того, что целые числа в диапазоне от к иметь большие наборы Салема – Спенсера размером . [ 7 ] В знаменателе этого выражения используется обозначение большого О , и он растет медленнее, чем любая степень , поэтому множества, найденные Салемом и Спенсером, имеют почти линейный размер. Эта граница опровергла гипотезу Пауля Эрдеша и Пала Турана о том, что размер такого множества может быть не более для некоторых . [ 4 ] [ 8 ] Конструкция Салема и Спенсера была улучшена Феликсом Берендом в 1946 году, который нашел наборы размером . [ 9 ]
В 1952 году Клаус Рот доказал теорему Рота , устанавливающую, что размер множества Салема-Спенсера должен быть равен . [ 10 ] Следовательно, хотя множества, построенные Салемом, Спенсером и Берендом, имеют размеры, близкие к линейным, невозможно улучшить их и найти множества, размер которых действительно линейный. Этот результат стал частным случаем теоремы Семереди о плотности наборов целых чисел, избегающих более длинных арифметических прогрессий. [ 4 ] Чтобы отличить оценку Рота на множествах Салема – Спенсера от теоремы Рота о диофантовой аппроксимации алгебраических чисел , этот результат был назван теоремой Рота об арифметических прогрессиях . [ 11 ] После нескольких дополнительных улучшений теоремы Рота [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Доказано, что размер множества Салема – Спенсера равен . [ 16 ] Еще лучшая граница (для некоторых это не было явно вычислено) было объявлено в 2020 году в препринте. [ 17 ] В 2023 году новая граница [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] дали объяснение в более знакомых математических терминах. был найден ученым-компьютерщиком Келли ан Мека и вскоре после этого Блум и Сисаск [ 21 ] [ 22 ] которые с тех пор также улучшили показатель Келли-Мека, связанный с (и предположил ) в препринте. [ 23 ]
Строительство
[ редактировать ]Простая конструкция множества Салема – Спенсера (размером значительно меньше границы Беренда) состоит в выборе троичных чисел , в которых используются только цифры 0 и 1, а не 2. Такой набор не должен иметь прогрессии, потому что если два его числа элементы и являются первым и вторым членами арифметической прогрессии, третий член должен иметь цифру два в позиции младшей значащей цифры, где и различаются. [ 4 ] На иллюстрации показан набор такой формы для трехзначных троичных чисел (сдвинутых на единицу, чтобы сделать наименьший элемент 1 вместо 0).
В конструкции Беренда используется аналогичная идея для большего нечетного основания счисления. . Его набор состоит из чисел, цифры которых ограничены диапазоном от к (чтобы при сложении этих чисел не было переносов), с дополнительным ограничением, что сумма квадратов цифр равна некоторому выбранному значению. . [ 9 ] Если цифры каждого числа рассматривать как координаты вектора, это ограничение описывает сферу в результирующем векторном пространстве, и из-за выпуклости среднее значение двух различных значений на этой сфере будет находиться внутри сферы, а не на ней. [ 24 ] Следовательно, если два элемента множества Беренда являются конечными точками арифметической прогрессии, то среднего значения прогрессии (их среднего) в наборе не будет. Таким образом, полученный набор не имеет прогрессии. [ 9 ]
При тщательном выборе , и выбор как наиболее часто встречающуюся сумму квадратов цифр, Беренд достигает своей границы. [ 9 ] В 1953 году Лео Мозер доказал, что существует единственная бесконечная последовательность Салема – Спенсера, достигающая той же асимптотической плотности на каждом префиксе, что и конструкция Беренда. [ 1 ] Рассматривая выпуклую оболочку точек внутри сферы, а не набор точек на сфере, можно улучшить конструкцию в разы . [ 24 ] [ 25 ] Однако это не влияет на размер, привязанный в указанной выше форме.
Обобщение
[ редактировать ]Понятие множеств Салема – Спенсера (множество без 3-AP) можно обобщить до -Бесточные наборы, в которых элементы образуют арифметическую прогрессию тогда и только тогда, когда все они равны. Рэнкин (1961) дал конструкции больших -Наборы без AP. [ 26 ]
Результаты вычислений
[ редактировать ]Гасарч, Гленн и Крускал провели сравнение различных вычислительных методов для больших подмножеств без арифметической прогрессии. [ 2 ] Используя эти методы, они нашли точный размер самого большого такого набора для . Их результаты включают несколько новых оценок для различных значений , найденный с помощью ветвей и границ алгоритмов , которые используют линейное программирование и эвристику, специфичную для конкретной задачи, для ограничения размера, который может быть достигнут в любой ветви дерева поиска. Одной из эвристик, которую они сочли особенно эффективной, был метод третей , в котором две сдвинутые копии набора Салема-Спенсера для размещаются в первой и последней трети сета для . [ 2 ]
Приложения
[ редактировать ]а | б | с | д | и | ж | г | час | ||
8 | ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | 8 | |||||||
7 | 7 | ||||||||
6 | 6 | ||||||||
5 | 5 | ||||||||
4 | 4 | ||||||||
3 | 3 | ||||||||
2 | 2 | ||||||||
1 | 1 | ||||||||
а | б | с | д | и | ж | г | час |
В связи с проблемой Ружи-Семереди множества Салема-Спенсера использовались для построения плотных графов, в которых каждое ребро принадлежит уникальному треугольнику . [ 27 ]
Наборы Салема – Спенсера также использовались в теоретической информатике. Они использовались при разработке алгоритма Копперсмита-Винограда для быстрого умножения матриц . [ 28 ] и в построении эффективных неинтерактивных доказательств с нулевым разглашением . [ 29 ] Недавно они использовались для показа нижних границ размеров графовых ключей . [ 30 ] и , основанная на гипотезе сильного экспоненциального времени сложность задачи о сумме подмножества . [ 31 ]
Эти наборы также можно применить в развлекательной математике к математической шахматной задаче . размещая как можно меньше ферзей на главной диагонали шахматную доску так, чтобы были атакованы все клетки доски. Набор диагональных квадратов, которые остаются незанятыми, должен образовывать набор Салема – Спенсера, в котором все значения имеют одинаковую четность (все нечетные или все четные). Наименьший возможный набор ферзей является дополнением наибольшего подмножества Салема – Спенсера нечетных чисел в . Это подмножество Салема-Спенсера можно найти, удвоив и вычитая единицу из значений в подмножестве Салема-Спенсера всех чисел в [ 32 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Мозер, Лео (1953), «О неусредняемых множествах целых чисел», Canadian Journal of Mathematics , 5 : 245–252, doi : 10.4153/cjm-1953-027-0 , MR 0053140 , S2CID 124488483
- ^ Перейти обратно: а б с Гасарч, Уильям ; Гленн, Джеймс; Краскал, Клайд П. (2008), «Нахождение больших 3-свободных множеств. I. Случай малого n » (PDF) , Journal of Computer and System Sciences , 74 (4): 628–655, doi : 10.1016/j. jcss.2007.06.002 , МР 2417032
- ^ Эбботт, Х.Л. (1976), «О гипотезе Эрдеша и Штрауса о неусредняющих множествах целых чисел», Труды Пятой Британской комбинаторной конференции (Университет Абердина, Абердин, 1975) , Congressus Numerantium, vol. XV, Виннипег, Манитоба: Utilitas Math., стр. 1–4, MR 0406967.
- ^ Перейти обратно: а б с д Дыбизбанский, Януш (2012), «Последовательности, не содержащие трехчленных арифметических прогрессий» , Электронный журнал комбинаторики , 19 (2): P15:1–P15:5, doi : 10.37236/2061 , MR 2928630
- ^ Слоан, Нью-Джерси (редактор), «Последовательность A005836» , Интернет -энциклопедия целочисленных последовательностей , Фонд OEIS
- ^ Эрдеш, П .; Лев, В.; Рози, Г.; Шандор, К.; Саркози, А. (1999), «Жадный алгоритм, арифметические прогрессии, суммы подмножеств и делимость», Discrete Mathematics , 200 (1–3): 119–135, doi : 10.1016/S0012-365X(98)00385-9 , MR 1692285
- ^ Салем, Р. ; Спенсер, округ Колумбия (декабрь 1942 г.), «О наборах целых чисел, которые не содержат трех членов в арифметической прогрессии», Труды Национальной академии наук , 28 (12): 561–563, Bibcode : 1942PNAS...28..561S , дои : 10.1073/pnas.28.12.561 , PMC 1078539 , PMID 16588588
- ^ Эрдеш, Пол ; Туран, Пол (1936), «О некоторых последовательностях целых чисел» (PDF) , Журнал Лондонского математического общества , 11 (4): 261–264, doi : 10.1112/jlms/s1-11.4.261 , MR 1574918
- ^ Перейти обратно: а б с д Беренд, Ф.А. (декабрь 1946 г.), «О множествах целых чисел, которые не содержат трех членов арифметической прогрессии», Proceedings of the National Academy of Sciences , 32 (12): 331–332, Bibcode : 1946PNAS...32..331B , дои : 10.1073/pnas.32.12.331 , ПМК 1078964 , ПМИД 16578230
- ^ Рот, Клаус (1952), «О некоторых наборах целых чисел», Études de l'Académie des Sciences , 234 : 388–390, MR 0046374
- ^ Блум, Томас; Сисаск, Олаф (2019), «Логарифмические границы теоремы Рота через почти периодичность», Discrete Analysis , 2019 (4), arXiv : 1810.12791v2 , doi : 10.19086/da.7884 , S2CID 119583263
- ^ Хит-Браун, Д.Р. (1987), «Наборы целых чисел, не содержащие арифметических прогрессий», Журнал Лондонского математического общества , вторая серия, 35 (3): 385–394, doi : 10.1112/jlms/s2-35.3.385 , MR 0889362
- ^ Семереди, Э. (1990), «Наборы целых чисел, не содержащие арифметических прогрессий», Acta Mathematica Hungarica , 56 (1–2): 155–158, doi : 10.1007/BF01903717 , MR 1100788
- ^ Бургейн, Дж. (1999), «О тройках в арифметической прогрессии», Geometric and Functional Analysis , 9 (5): 968–984, doi : 10.1007/s000390050105 , MR 1726234 , S2CID 392820
- ^ Сандерс, Том (2011), «О теореме Рота о прогрессиях», Annals of Mathematics , Second Series, 174 (1): 619–636, arXiv : 1011.0104 , doi : 10.4007/annals.2011.174.1.20 , MR 2811612 , S2CID 53331882
- ^ Блум, Т.Ф. (2016), «Количественное улучшение теоремы Рота об арифметических прогрессиях», Журнал Лондонского математического общества , вторая серия, 93 (3): 643–663, arXiv : 1405.5800 , doi : 10.1112/jlms/jdw010 , МР 3509957 , S2CID 27536138
- ^ Блум, Томас; Сисаск, Олаф (2020), Преодоление логарифмического барьера в теореме Рота об арифметических прогрессиях , arXiv : 2007.03528 ; см. также Калаи, Гил (8 июля 2020 г.), «Чтобы подбодрить вас в трудные времена 7: Блум и Сисаск только что преодолели логарифмический барьер для теоремы Рота!» , Комбинаторика и многое другое.
- ^ Келли, Зандер; Мека, Рагху (6 ноября 2023 г.). «Сильные границы для 3-прогрессий» . Материалы конференции 64-го ежегодного симпозиума IEEE по основам компьютерных наук (FOCS), 2023 г. ИИЭР: 933–973. arXiv : 2302.05537 . дои : 10.1109/FOCS57990.2023.00059 . ISBN 979-8-3503-1894-4 .
- ^ Келли, Зандер; Мека, Рагху (10 февраля 2023 г.). «Сильные границы для 3-прогрессий». arXiv : 2302.05537 [ math.NT ].
- ^ Сломан, Лейла (21 марта 2023 г.). «Неожиданное доказательство в области компьютерных наук ошеломило математиков» . Журнал Кванта .
- ^ Блум, Томас Ф.; Сисаск, Олоф (31 декабря 2023 г.). «Границы Келли – Меки для множеств, свободных от трехчленных арифметических прогрессий» . Существенная теория чисел . 2 (1): 15–44. arXiv : 2302.07211 . дои : 10.2140/ent.2023.2.15 . ISSN 2834-4634 .
- ^ Блум, Томас Ф.; Сисаск, Олоф (14 февраля 2023 г.). «Границы Келли-Меки для множеств, свободных от трехчленных арифметических прогрессий». arXiv : 2302.07211 [ math.NT ].
- ^ Блум, Томас Ф.; Сисаск, Олоф (5 сентября 2023 г.). «Улучшение границ Келли-Мека для трехчленных арифметических прогрессий». arXiv : 2309.02353 [ math.NT ].
- ^ Перейти обратно: а б Элкин, Майкл (2011), «Улучшенная конструкция множеств без прогрессий», Israel Journal of Mathematics , 184 : 93–128, arXiv : 0801.4310 , doi : 10.1007/s11856-011-0061-1 , MR 2823971
- ^ Грин, Бен ; Вольф, Джулия (2010), «Заметка об улучшении Элкиным конструкции Беренда», Чудновский, Дэвид ; Чудновский, Грегори (ред.), Аддитивная теория чисел: Festschrift в честь шестидесятилетия Мелвина Б. Натансона , Нью-Йорк: Springer, стр. 141–144, arXiv : 0810.0732 , doi : 10.1007/978-0-387- 68361-4_9 , МР 2744752 , S2CID 10475217
- ^ Рэнкин, Р.А. (1961), «XXIV: Наборы целых чисел, содержащие не более заданного числа членов арифметической прогрессии», Труды Королевского общества Эдинбурга, Раздел A: Математические и физические науки , 65 (4): 332– 344, номер документа : 10.1017/S0080454100017726 , S2CID 122037820
- ^ Ружа, Издательство ; Семереди, Э. (1978), «Тройные системы без шести точек, несущих три треугольника», Комбинаторика (Труды пятого венгерского коллоквиума, Кестхей, 1976), Vol. II , коллок. Математика. Соц. Янош Бояи, том. 18, Амстердам и Нью-Йорк: Северная Голландия, стр. 939–945, МР 0519318
- ^ Копперсмит, Дон ; Виноград, Шмуэль (1990), «Умножение матриц посредством арифметических прогрессий», Журнал символических вычислений , 9 (3): 251–280, doi : 10.1016/S0747-7171(08)80013-2 , MR 1056627
- ^ Липмаа, Хельгер (2012), «Множества без прогрессии и неинтерактивные аргументы с нулевым разглашением на основе сублинейных пар» , в Крамере, Рональде (ред.), Теория криптографии: 9-я конференция по теории криптографии, TCC 2012, Таормина, Сицилия, Италия, 19–21 марта 2012 г., Труды , Конспекты лекций по информатике, том. 7194, Springer, стр. 169–189, номер документа : 10.1007/978-3-642-28914-9_10.
- ^ Аббуд, Амир; Бодвин, Грег (2017), «Показатель аддитивного гаечного ключа 4/3 плотен», Журнал ACM , 64 (4): A28:1–A28:20, arXiv : 1511.00700 , doi : 10.1145/3088511 , MR 3702458 , S2CID 209870748
- ^ Аббуд, Амир; Брингманн, Карл ; Гермелин, Дэнни; Шабтай, Двир (2019), «Нижние границы на основе SETH для суммы подмножества и пути бикритериев», в Чан, Тимоти М. (редактор), Труды тридцатого ежегодного симпозиума ACM-SIAM по дискретным алгоритмам, SODA 2019, Сан-Диего , Калифорния, США, 6-9 января 2019 г. , Общество промышленной и прикладной математики, стр. 41–57, arXiv : 1704.04546 , doi : 10.1137/1.9781611975482.3 , S2CID 15802062
- ^ Кокейн, Э.Дж.; Хедетниеми, С.Т. (1986), «О проблеме доминирования диагональных ферзей», Журнал комбинаторной теории , серия A, 42 (1): 137–139, doi : 10.1016/0097-3165(86)90012-9 , MR 0843468
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Поиск множеств неусреднения , Ярек Вроблевский, Вроцлавский университет