Jump to content

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.

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 .

  1. Инициализировать : пусть .
  2. 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 .
  3. Выведите вектор и набор вершин .

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 ).

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

  1. ^ Клейтман, Дэниел; Уинстон, Кеннет (1980). «Асимптотическое число решеток». Анналы дискретной математики . 6 : 243–249. дои : 10.1016/S0167-5060(08)70708-8 . ISBN  9780444860484 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ Sapozhenko, Alexander (2003). "The Cameron-Erdos conjecture". Doklady Akademii Nauk . 393 : 749–752.
  4. ^ Сапоженко, Александр (2002). «Асимптотика числа множеств без сумм в абелевых группах». Доклады Академии наук . 383 : 454–458.
  5. ^ 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.
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ Балог, Йожеф; Моррис, Роберт; Самотий, Войцех (2018). «Метод гиперграфов-контейнеров». Материалы Международного конгресса математиков: Рио-де-Жанейро . arXiv : 1801.04584 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 760eecc185923c143ea4e423a8b658fe__1710977220
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/76/fe/760eecc185923c143ea4e423a8b658fe.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Container method - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)