6、相交族

相交族

相交族(Intersecting Family)

称 F⊂2[n] 为相交族,若对任意 A,B∈F 有 A∩B≠∅.

例子:相交族

  1. F={A⊂[n]: 1∈A};
  2. F={A⊂[n]: |A|>n2},当 n 为奇。

以上两个是相交族大小为 2n−1 的例子。

事实上,对相交族的大小,我们有:

事实:相交族的最大大小

对任意相交族 F⊂2[n],有 |F|≤2n−1。

证明: 对无序对 {A,Ac} 计数,这里 A⊂[n]。这样的对子恰有 2n−1 个。由于 F 是相交族,其至多包含对子中的一个集合,故

|F|≤#{A,Ac}=2n−1.

这一上界是紧的:上面的例子给出了构造。

各集合大小相同的相交族

Erdos-Ko-Rado 定理

有关相交族,我们最关心的一个事情是各集合大小均为某值的相交族的大小:也就是说, F⊂([n]k) 的大小。事实上,有两个已知事实:

k) 的情形

  1. 当 k>n2 时, |F|=(nk)。
  2. 当 k≤n2 时,若添加条件 1∈A,则
F={A∈([n]k): 1∈A}⟹|F|=(n−1k−1).

但对 k≤n2 的情形,相交族的大小是不固定的:显然可以取得足够少,例如,取两个是显然可行的。我们有如下的估计:

定理(Erdos-Ko-Rado)

  1. 当 n≥2k 时,最大的相交族 F⊂([n]k) 的大小为 (n−1k−1)。
  2. 当 n>2k 时,最大的相交族必是一个星(star):F 中的每个集合共享一个元素 t∈[n].

有两种证明。我们先说最简单的一种。

第一种证明:轮换计数

约定:全轮换包含集合

对全轮换 π∈C([n])⊂S([n]), 称 A 被全轮换 π 包含,若 A 中元素在 π 的轮换表示中连续地出现(consecutive)。
对全轮换 π,记 Fπ 为 F 中被全轮换 π 包含的集合族。

引理1:被全轮换包含集合的大小估计

对任意全轮换 π∈C([n]),我们有 |Fπ|≤k.

证明: 若 Fπ 非空,任取 A∈Fπ,存在 2k−2 个集合 B 被 π 包含、不同于 A 且与 A 相交。但注意到这些集合 B 可被分为 k−1 对不交对(由 n>2k)。由于 Fπ⊂F,Fπ 至多包含这些不交对之一,故 |Fπ|≤k−1+1=k.

定理第一部分证明: 对如下集合双重计数:

N={(π,A): π 为全轮换,A∈Fπ}.

固定 π,由 引理1,|N|=∑π|Fπ|≤k(n−1)!. 另一方面,固定 A, 有

|N|=∑A∈F∑π1A被π包含=∑A∈Fk!(n−k)!=|F|k!(n−k)!.

因此 |F|≤k⋅(n−1)!k!(n−k)!=(n−1k−1),证毕。

下面证明第二部分: n>2k 时,F 必是星构造。这需要更多引理。

引理2:包含集的连续性

固定全轮换 π。若 Fπ={A1,⋯,Ak},则必有

Fπ={(aj+r,aj+r+1,⋯,aj+r+k−1): 1≤j≤k},

对任意 r∈[n] 成立,这里下标按模 n 理解。

换句话说,若 A1,Ak∈Fπ 且 |A1∩Ak|=1,则任意 B⊂(A1∪Akk) 且包含于 π 中的集合都出现在 Fπ 中。

证明: 显然。

以下,不失一般性,按 r=0 理解。

引理3:特定星形元素的构造

若 B∈(A1∪Ak∖{ak}k−1),则 B∪{ak}∈F.

证明: 不妨设 B=B1∪B2,B1 在 A1 中,B2 在 Ak 中。按如下方式构造全轮换序列:

τ: (A1∖(B1∪{ak})B1akB2Ak∖(B2∪{ak})).

这里按矩阵分块理解记号。则 A1,Ak∈Fτ。由 连续出现引理,B1∪{ak}∪B2∈Fτ,即 B∪{ak}∈F.

引理4:去心星形元素归类到两端之间

若 A0∈F,ak∉A0,则 A0⊂A1∪Ak∖{ak}.

证明: 否则,A0⊄A1∪Ak 且 |A0∩(A1∪Ak)|≤k−1。但 |A1∪Ak|=2k−1,则存在某些 B∈((A1∪Ak)∖A0k) 使得 ak∈B。由 星形构造引理,B∈F,但 A0∩B=∅,矛盾!

引理5: F 的构造

F=(A1∪Akk)。

证明: ⊃. 对任意 i∈A0,令 Bi=((A1∪Ak)∖A0)∪{i}。由于 ak∈B,由 星形构造引理 知 B∈F。同星形构造引理的证明,可知 A1∪Ak 的包含 i 的任一 k−子集均属于 F。因此 (A1∪Akk)⊂F。

⊂. 否则,若存在 C∈F,C⊄A1∪Ak。则 |(A1∪Ak)∖C|≥k,故存在 B∈(A1∪Akk) 使得 B∩C=∅. 由 ⊃ 的情形,B∈F 且 B∩C≠∅,矛盾!故 F⊂(A1∪Akk).

定理第二部分的证明: 假设存在 A0∈F,ak∉A0,则 F=(A1∪Akk) 且 |F|=(2k−1k−1)<(n−1k−1),矛盾!

练习:推广

设 k 为固定正整数, A1,⋯,Am 为 [n] 的 m 个子集,满足:

  • 对任一个 i∈[m],|Ai|≤k≤n2;
  • 对不同的 i,j∈[m],Ai⊄Aj,且 Ai∩Aj≠∅.

证明: m≤(n−1k−1).

证明: 对全轮换 π∈C([n]),称 Ai 在 π 上,若 Ai 的所有元素在 π 中连续地出现.令 Fπ 为在 π 上的 Ai 的集族,我们对 (Ai,Fπ) 计数.

首先,令 π=(a1,⋯,an) (下标按模 n 记).对任意 Ai∈Fπ,则存在 j,l 使得

Ai={aj,aj+1,⋯,aj+l−1},l=|Ai|.

称 aj 为 Ai 的首字母.于是对任一 aj,Fπ 中至多有一个 Ai 使得 aj 为其首字母:否则 Ai 中就会出现包含关系了.

不妨设 ak 是一个首字母.因为 |Ai|≤k,剩下能当首字母的只有 a1,⋯,a2k−1.对任意 1≤i<k, ai 与 ak+i 不能同为首字母,否则就有非相交集了.因此我们有

(!)|Fπ|≤k.

固定 Fπ, 因此 N≤k⋅(n−1)!.

另一方面,每个 Fπ 与 π 一一对应.对固定的 Ai,不妨设其为 {a1,⋯,as},则其对应于置换数目为 |Ai|!(n−|Ai|)!——先排 A 的部分,再排剩下的部分.因此

N=∑i=1m|Ai|!(n−|Ai|)!≥m⋅k!(n−k)!.

这里注意到 m!(n−m)! 在 n>2k 时 k 越大越小.

综上,我们有 m≤Nk!(n−k!)≤(n−1)!(k−1)!(n−k)!=(n−1k−1),证毕!

练习:补集为相交集

令 n≤2k,A1,⋯,Am 为 k−元子集,使得 Ai∪Aj≠[n].证明 m≤(1−kn)(nk)=(n−1k).

证明: 考虑 F={A1C,⋯,AmC}.注意由题知 AiC∩AjC≠∅,故 F 是 n−k 元相交族.由于 n≤2k,故 n≥2(n−k),从而由 Erdos-Ko-Rado 定理,

m≤(n−1n−k−1)=(n−1k).

第二种证明:Kneser 图法

定义:Kneser 图

Kneser 图 K(n,k) (n≥2k)是满足如下条件的图:

  • V=([n]k);
  • 对任意两个集合 A,B∈([n]k),AB 在图中相邻当且仅当 A∩B=∅。

例如, K(5,2) 是 Peterson 图。

定义:最大独立集顶点数

对图 G,记 α(G) 为 G 中最大独立集的顶点数。

定理(Erdos-Ko-Rado)

对任意 n≥2k,有 α(K(n,k))≤(n−1k−1)。

定义:正则图

称 G 为 d−正则图,若各顶点度数为 d。

定理:正则图的最大特征值

若 G 为 d−正则图,则 G 的最大特征值为 d,对应于特征向量 (1,1,⋯,1)。

定理(Hoffman)

若 G 为 n 阶 d− 正则图,其特征值(邻接矩阵特征值) λ1≥λ2≥⋯≥λn,则

α(G)≤n⋅−λnλ1−λn.

证明: 设 V(G)=[n]。令 v1,⋯,vn 为 G 对应于各特征值的标准正交特征向量(由邻接矩阵为对称阵,故存在)。设 I 为 G 的一个最大独立集(从而 |I|=α(G))。令 1I=(1j∈I)j,并记

1I=∑i=1nαivi,αi∈R.

故 |I|=⟨1I,1I⟩=∑i=1nαi2,αi=⟨1I,vi⟩。

由 G 为 d−正则图, λ1=d 且 v1=1n(1,1,⋯,1). 因此我们有

α1=⟨1I,v1⟩=|I|n.

因因为 I 是 G 中的独立集, 1I⊤AG1I=∑1≤i,j≤n(1I⊤)iaij(1I)j=0。但另一方面,

0=1I⊤AG1I=(∑iαivi)⊤AG(∑jαjvj)=(∑iαivi)⊤(∑jαjλjvj)=∑αi2λi≥α12λ1+(α22+⋯+αn2)λn=|I|2nλ1+(|I|−|I|2n)λn.

则我们有

|I|2nλ1+(|I|−|I|2n)λn

故 α(G)=|I|≤n⋅−λnλ1−λn.

定理(GTM 207)

Kneser图的特征值为

vj=(−1)j(n−k−jk−j),重数(nj)−(nj−1).

对任意 0≤j≤k。

定理的证明: 记 K(n,k) 的特征值为 λ1≥λ2≥⋯≥λ(nk) ,此时

λ1=(n−kk),λ(nk)=−(n−k−1k−1).

由 Hoffman定理,

α(K(n,k))≤(nk)−λ(nk)λ1−λ(nk)=(n−1k−1).

证毕!

练习

证明:对任意相交族 F⊂2[n],都存在一个相交族 F′⊂2[n],使得 |F′|=2n−1 且 F⊂F′.

证明: 起初,令 F′=F.Claim:对任意 A⊂[n], A 或 AC 之一与 F′ 均有交:否则存在 A∩B=∅ 且 AC∩C=∅,于是 B⊂AC 且 C⊂A,故 B∩C=∅,矛盾.故 Claim 得证.

现设 A 与 F′ 中所有元素均有交.把 A 放进去,则 F′ 仍是相交族.对每一对 (B,BC)⊂2[n]×2[n],不停将其中与 F′ 均有交的一个放进去,直到所有 2n−1 个对子都被遍历即可.