Контейнерный метод
Метод контейнеров (гиперграфов) — мощный инструмент, который может помочь охарактеризовать типичную структуру и/или ответить на экстремальные вопросы о семействах дискретных объектов с заданным набором локальных ограничений. Такие вопросы естественным образом возникают в экстремальной теории графов , аддитивной комбинаторике , дискретной геометрии , теории кодирования и теории Рамсея ; они включают в себя некоторые из наиболее классических проблем в смежных областях.
Эти проблемы можно выразить в виде вопросов следующего вида: учитывая гиперграф H на конечном множестве вершин V с множеством ребер E (т.е. набор подмножеств V с некоторыми ограничениями на размер), что мы можем сказать о независимых множествах H ( т.е. те подмножества V , которые не содержат элементов E )? Лемма о контейнере гиперграфа дает метод решения таких вопросов.
История
[ редактировать ]Одна из фундаментальных проблем экстремальной теории графов, относящаяся к работам Мантеля в 1907 году и Турана в 1940-х годах, требует охарактеризовать те графы, которые не содержат копию некоторого фиксированного запрещенного H в качестве подграфа. В другой области одним из мотивирующих вопросов аддитивной комбинаторики является понимание того, насколько большим может быть набор целых чисел, не содержащий k -членной арифметической прогрессии , с верхними границами этого размера, данными Ротом ( ) и Семереди (генерал К ).
Метод контейнеров (в графах) впервые был предложен Клейтманом и Уинстоном в 1980 году, которые ограничили количество решеток. [1] и графики без 4-циклов. [2] Леммы контейнерного типа были независимо разработаны несколькими математиками в разных контекстах, в том числе Сапоженко, который первоначально использовал этот подход в 2002-2003 годах для перечисления независимых множеств в регулярных графах . [3] множества без сумм в абелевых группах, [4] и изучить множество других задач по перечислению [5]
Обобщение этих идей на лемму о контейнере гиперграфа было независимо разработано Сакстоном и Томасоном. [6] и Балог, Моррис и Самотидж [7] в 2015 году, вдохновленный множеством предыдущих работ.
Основная идея и неформальное заявление
[ редактировать ]Многие задачи комбинаторики можно переформулировать как вопросы о независимых множествах в графах и гиперграфах. Например, предположим, что мы хотим понять подмножества целых чисел от 1 до n , которые мы обозначаем через в которых отсутствует k -членная арифметическая прогрессия. Эти множества являются в точности независимыми множествами в k -равномерном гиперграфе. , где E — совокупность всех k -членных арифметических прогрессий в .
В приведенных выше (и многих других) случаях обычно возникают два естественных класса задач, связанных с гиперграфом H :
- Каков размер максимального независимого множества в H ? коллекция независимых множеств максимального размера в H ? Как выглядит
- Сколько независимых множеств имеет H ? «типичное» независимое множество в H ? Как выглядит
Эти проблемы связаны простым наблюдением. Позволять быть размером наибольшего независимого множества H и предположим, что имеет независимые множества. Затем,
где нижняя оценка получается путем взятия всех подмножеств максимального независимого множества. Эти границы находятся относительно далеко друг от друга, если только очень велико, близко к числу вершин гиперграфа. Однако во многих гиперграфах, которые естественным образом возникают в комбинаторных задачах, у нас есть основания полагать, что нижняя граница ближе к истинному значению; таким образом, основная цель — улучшить верхние границы i(H) .
Лемма о контейнере гиперграфа обеспечивает мощный подход к пониманию структуры и размера семейства независимых множеств в гиперграфе. По своей сути метод контейнера гиперграфа позволяет нам извлекать из гиперграфа, коллекции контейнеров , подмножества вершин, которые удовлетворяют следующим свойствам:
- Контейнеров не так уж и много.
- Каждый контейнер ненамного больше самого большого независимого набора.
- Каждый контейнер имеет несколько ребер.
- Каждое независимое множество в гиперграфе полностью содержится в некотором контейнере.
Имя контейнера намекает на это последнее условие. Такие контейнеры часто обеспечивают эффективный подход к описанию семейства независимых множеств (подмножеств контейнеров) и перечислению независимых множеств гиперграфа (простым рассмотрением всех возможных подмножеств контейнера).
Лемма о контейнере гиперграфа обеспечивает описанное выше разложение контейнера на две части. Он строит детерминированную функцию f . Затем он предоставляет алгоритм, который извлекает из каждого независимого множества I в гиперграфе H относительно небольшой набор вершин. , называемый отпечатком пальца, обладающий свойством, . Тогда контейнеры представляют собой коллекцию наборов которые возникают в описанном выше процессе, а небольшой размер отпечатков пальцев обеспечивает хороший контроль количества таких наборов контейнеров.
Алгоритм графового контейнера
[ редактировать ]Сначала мы опишем метод показа строгих верхних границ количества независимых множеств в графе; эта экспозиция адаптирована на основе обзора Самотия. [8] о методе графового контейнера, первоначально использованном Клейтманом-Уинстоном и Сапоженко.
Обозначения
[ редактировать ]В приведенном ниже разделе мы используем следующие обозначения.
- это график на вершины, где множество вершин снабжено (произвольным) упорядочением .
- Позволять — совокупность независимых множеств G размера . Позволять — количество независимых наборов размера r .
- в максимальной степени Упорядочение подмножества вершин — это упорядочение вершин в A по их степени в индуцированном подграфе .
Алгоритм Клейтмана-Уинстона
[ редактировать ]Следующий алгоритм дает небольшой «отпечаток пальца» для каждого независимого набора в графе и детерминированную функцию отпечатка пальца для построения не слишком большого подмножества, содержащего весь независимый набор.
Зафиксировать граф G , независимое множество и положительное целое число .
- Инициализировать : пусть .
- Итерация для :
- Постройте порядок максимальной степени
- Найдите минимальный индекс такой, что (т.е. вершина в A наибольшей степени в индуцированном подграфе G[A] )
- Позволять , где является окрестностью вершины .
- Выведите вектор и набор вершин .
Анализ
[ редактировать ]По построению выходные данные приведенного выше алгоритма обладают свойством, которое , отметив, что является подмножеством вершин, которое полностью определяется и не является иначе функцией . Чтобы подчеркнуть это, напишем . Заметим также, что мы можем восстановить множество в приведенном выше алгоритме только из вектора .
Это говорит о том, что может быть хорошим выбором отпечатка пальца и хороший выбор контейнера . Точнее, мы можем оценить количество независимых наборов некоторого размера как сумма по выходным последовательностям
- ,
где мы можем суммировать чтобы получить оценку общего количества независимых наборов графа:
- .
Пытаясь минимизировать эту верхнюю границу, мы хотим выбрать который уравновешивает/минимизирует эти два термина. Этот результат иллюстрирует ценность упорядочения вершин по максимальной степени (чтобы минимизировать ).
Леммы
[ редактировать ]Приведенные выше неравенства и наблюдения можно сформулировать в более общей постановке, отдельно от явной суммы по векторам. .
Лемма 1: Дан граф с и предположим, что целое число и реальные цифры удовлетворить . Предположим, что каждый индуцированный подграф хотя бы на вершины имеют плотность ребер не менее . Тогда для каждого целого числа ,
Лемма 2: Пусть быть графиком на вершин и предположим, что целое число и реальные выбираются так, что . Если все подмножества по крайней мере вершины имеют по крайней мере края, то есть коллекция подмножеств вершины («отпечатки пальцев») и детерминированная функция , так что для любого независимого множества , есть такой, что .
Лемма о контейнере гиперграфа
[ редактировать ]Неформально, лемма о контейнере гиперграфа говорит нам, что мы можем назначить небольшой отпечаток пальца. каждому независимому набору, так что все независимые наборы с одинаковым отпечатком принадлежат одному и тому же большему набору, , связанный контейнер, размер которого ограничен количеством вершин гиперграфа. Кроме того, эти отпечатки малы (и, следовательно, контейнеров мало), и мы можем ограничить их размер по существу оптимальным способом, используя некоторые простые свойства гиперграфа.
Напомним следующие обозначения, связанные с однородный гиперграф .
- Определять для положительных целых чисел , где .
- Позволять быть совокупностью независимых наборов . будет обозначать некоторое такое независимое множество.
Заявление
[ редактировать ]Мы излагаем версию этой леммы, найденную в работе Балога, Морриса, Самотиджа и Сакстона. [9]
Позволять быть -однородный гиперграф и предположим, что для каждого и некоторые , у нас это есть . Затем идет сбор и функция такой, что
- для каждого существует с и .
- для каждого и .
Примеры приложений
[ редактировать ]Обычные графики
[ редактировать ]Верхняя граница количества независимых множеств
[ редактировать ]Мы покажем, что существует абсолютная константа C такая, что каждое -вершина -регулярный график удовлетворяет .
Мы можем ограничить количество независимых наборов каждого размера. используя тривиальную оценку для .Для большего , брать При этих параметрах d -регулярный граф удовлетворяет условиям леммы 1 и, следовательно,
Подводя итог всему дает
- ,
который дает желаемый результат, когда мы подключаем
Наборы без сумм
[ редактировать ]Набор элементов абелевой группы называется свободной от сумм, если не существует удовлетворяющий . Мы покажем, что существует не более подмножества без сумм .
Это будет следовать из наших приведенных выше оценок числа независимых множеств в регулярном графе. Чтобы убедиться в этом, нам нужно будет построить вспомогательный график. Сначала мы заметим, что с точностью до членов более низкого порядка мы можем ограничить наше внимание множествами без сумм с по крайней мере элементы меньше, чем (поскольку число подмножеств в дополнении к нему не более ).
Учитывая некоторое подмножество , определим вспомогательный граф с набором вершин и набор кромок и заметим, что наш вспомогательный граф регулярен, поскольку каждый элемент S меньше . Тогда, если самые маленькие элементы подмножества , набор является независимым множеством в графе . Тогда, согласно нашей предыдущей оценке, мы видим, что количество подмножеств без сумм самое большее
Графики без треугольников
[ редактировать ]Мы даем иллюстрацию использования леммы о контейнере гиперграфов для ответа на перечислительный вопрос, давая асимптотически точную верхнюю оценку числа графов без треугольников с вершины. [10]
Неофициальное заявление
[ редактировать ]Поскольку двудольные графы не содержат треугольников, количество графов без треугольников с вершин - это как минимум , полученный путем перечисления всех возможных подграфов сбалансированного полного двудольного графа .
Мы можем построить вспомогательный 3- однородный гиперграф H с множеством вершин и набор кромок . Этот гиперграф «кодирует» треугольники в том смысле, что семейство графов без треугольников на вершин — это в точности совокупность независимых множеств этого гиперграфа, .
Приведенный выше гиперграф имеет хорошее распределение степеней: каждое ребро , и, таким образом, вершина в содержится ровно в треугольники и каждая пара элементов в содержится не более чем в одном треугольнике. Следовательно, применяя лемму о контейнере гиперграфа (итеративно), мы можем показать, что существует семейство контейнеры, каждый из которых содержит несколько треугольников, содержащих каждый граф/независимый набор гиперграфа без треугольников.
Верхняя граница количества графов без треугольников
[ редактировать ]Сначала мы специализируем общую лемму о контейнере гиперграфов на 3-однородных гиперграфах следующим образом:
Лемма: Для каждого , существует такое, что имеет место следующее. Позволять быть 3-однородным гиперграфом средней степени и предположим, что . Тогда существует коллекция максимум контейнеры такие, что
- для каждого , существует
- для всех
Итеративное применение этой леммы даст следующую теорему (как доказано ниже):
Теорема: Для всех , существует такое, что имеет место следующее. Для каждого натурального числа n существует набор графов на n вершинах с такой, что
- каждый имеет меньше, чем треугольники,
- каждый граф без треугольников на вершины содержатся в некоторых .
Доказательство: рассмотрим гиперграф определено выше. Как неофициально отмечалось ранее, гиперграф удовлетворяет условию для каждого . Следовательно, мы можем применить приведенную выше лемму к с найти какую-нибудь коллекцию из подмножества (т.е. графики на вершины) такие, что
- любой граф без треугольников является подграфом некоторого ,
- каждый имеет не более края.
Это не так строго, как результат, который мы хотим показать, поэтому мы будем итеративно применять лемму о контейнере. Предположим, у нас есть некоторый контейнер по крайней мере треугольники. Мы можем применить лемму о контейнере к индуцированному подгиперграфу . Средняя степень по крайней мере , поскольку каждый треугольник в является преимуществом в , и этот индуцированный подграф имеет не более вершины. Таким образом, мы можем применить лемму с параметром , удалять из нашего набора контейнеров, заменив его на этот набор контейнеров, контейнеры, закрывающие .
Мы можем продолжать итерацию, пока не получим окончательную коллекцию контейнеров. каждый из которых содержит менее треугольники. Заметим, что эта коллекция не может быть слишком большой; все наши индуцированные подграфы имеют не более вершины и средняя степень не менее , что означает, что каждая итерация дает не более новые контейнеры. Кроме того, размер контейнера уменьшается в разы. каждый раз, поэтому после ограниченного (в зависимости от ) количество итераций, итерационный процесс завершится.
См. также
[ редактировать ]Независимое множество (теория графов)
Теорема Семереди
Лемма Семереда о регулярности
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Клейтман, Дэниел; Уинстон, Кеннет (1980). «Асимптотическое число решеток». Анналы дискретной математики . 6 : 243–249. дои : 10.1016/S0167-5060(08)70708-8 . ISBN 9780444860484 .
- ^ Клейтман, Дэниел; Уинстон, Кеннет (1982). «О числе графов без 4-циклов» . Дискретная математика . 31 (2): 167–172. дои : 10.1016/0012-365X(82)90204-7 .
- ^ Sapozhenko, Alexander (2003). "The Cameron-Erdos conjecture". Doklady Akademii Nauk . 393 : 749–752.
- ^ Сапоженко, Александр (2002). «Асимптотика числа множеств без сумм в абелевых группах». Доклады Академии наук . 383 : 454–458.
- ^ Сапоженко, Александр (2005), «Системы контейнеров и задачи перечисления» , Стохастические алгоритмы: основы и приложения , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 1–13, ISBN 978-3-540-29498-6 , получено 13 февраля 2022 г.
- ^ Сакстон, Дэвид; Томасон, Эндрю (2015). «Контейнеры гиперграфа». Математические изобретения . 201 (3): 925–992. arXiv : 1204.6595 . Бибкод : 2015InMat.201..925S . дои : 10.1007/s00222-014-0562-8 . S2CID 119253715 .
- ^ Балог, Йожеф; Моррис, Роберт; Самотий, Войцех (2015). «Независимые множества в гиперграфах» . Журнал Американского математического общества . 28 (3): 669–709. arXiv : 1204.6530 . дои : 10.1090/S0894-0347-2014-00816-X . S2CID 15244650 .
- ^ Самотий, Войцех (2015). «Подсчет независимых множеств в графах». Европейский журнал комбинаторики . 48 : 5–18. arXiv : 1412.0940 . дои : 10.1016/j.ejc.2015.02.005 . S2CID 15850625 .
- ^ Балог, Йожеф; Моррис, Роберт; Самотий, Войцех (2015). «Независимые множества в гиперграфах» . Журнал Американского математического общества . 28 (3): 669–709. arXiv : 1204.6530 . дои : 10.1090/S0894-0347-2014-00816-X . S2CID 15244650 .
- ^ Балог, Йожеф; Моррис, Роберт; Самотий, Войцех (2018). «Метод гиперграфов-контейнеров». Материалы Международного конгресса математиков: Рио-де-Жанейро . arXiv : 1801.04584 .