7、偏序集

偏序集

偏序集

定义:关系

R 为 X 上关系,若 R⊂X×X. 若 (x,y)∈R,记作 xRy。

定义:偏序集

偏序集为对子 (X,R),X 为有限集且 R 为 X 上偏序关系,满足:

  • 反身性: xRx。
  • 反对称性: xRy 且 yRx,则 x=y。
  • 传递性:xRy 且 yRz,则 xRz。
偏序集例子

  • (2[n],⊂)。
  • ([n],∣)。

我们一般用 ⪯ 表示偏序关系 。若 x⪯y 但 x≠y,称 x≺y,此时称 x 是 y 的一个前驱(predecessor)。

定义:直接前驱(immediate predecessor)

若 x≺y,且不存在 t 使 x≺t≺y,则称 x 为 y 的一个直接前驱,记作 x⊲y。

定理:前驱等价于直接前驱序列

x≺y 等价于存在若干 z1,⋯,zk,使

x⊲z1⊲⋯⊲zk⊲y.

注:我们仅考虑有限集,因为这是组合学。

证明: 只证必要性。令 M={t∈X: x≺t≺y},对 |M| 归纳。

若 |M|=0,则 x⊲y,证毕。

若命题对 |M|<n 成立,假设 x≺y 且 |M|=n,对任意 t∈M ,考虑 x,t 的 M1 和 t,y 的 M2。由传递性可知 M1⊊M,M2⊊M,故 |M1|,|M2|≤n−1,于是

x⊲z1⊲⋯⊲zt⊲t⊲z1′⊲⋯⊲zs′⊲y.

Hasse 图

定义:Hasse图

(X,⪯) 的 Hasse 图定义为

  1. X 的每个元素被绘制为图中的结点;
  2. 若 x⊲y,则x,y 间有一个线;
  3. 若 x⊲y,则 x 绘制在 y 下方的平面内。

例如,如下是 (2[3],⊂) 的 Hasse 图:

\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=3]
\node[above] at (0,3) {$\{1,2,3\}$};
\node[left] at (-1,2) {$\{1,2\}$};
\node[left] at (0,2) {$\{2,3\}$};
\node[right] at (1,2) {$\{3,1\}$};
\node[left] at (-1,1) {$\{1\}$};
\node[left] at (0,1) {$\{2\}$};
\node[right] at (1,1) {$\{3\}$};

\node[below] at (0,0) {$\emptyset$};
\draw (0,3) -- (-1,2) -- (-1,1) -- (0,0) -- (1,1) -- (1,2) -- (0,3) -- (0,2) -- (1,1) -- (1,2) -- (-1,1) -- (-1,2) -- (0,1) -- (0,0);
\draw (0,1) -- (0,2);
\end{tikzpicture}
\end{document}

上面的定理等价于: x≺y 当且仅当我们能在 Hasse 图中找到一条自 x 到 y、严格从下到上的路径。

偏序集嵌入

定义:偏序集间嵌入

设 (X1,⪯1)、(X2,⪯2) 为二偏序集,称映射 f: X1→X2 为嵌入,若

  • f 为单射,且
  • f(x)⪯2f(y) 当且仅当 x⪯1y。

一个最重要的例子是

定理:偏序集的集合表示

对任一偏序集 (X,⪯),存在其到 (2X,⊂) 的一个嵌入。

证明: 考虑 f: X→2X,f(x)={y∈X: y⪯x}.

f 为单射: 若 f(x)=f(y),由 f(x)⊂f(y) 得x⪯y,同理 y⪯x,故 x=y。

f 保持偏序:正过去显然。现设 f(x)⊂f(y),即对任意 t⪯x 都有 t⪯y,取 t=x 即证。

链与反链

定义

设 P 为偏序集。

  1. 对任意 x≠y∈P,若 x≺y 或 y≺x,则称 x,y 可比(comparable),否则不可比(incomparable)。
  2. 称 A⊂P 为反链,若任意两个元素都不可比。记 α(P) 为最大反链大小。
  3. 称 B⊂X 为链,若任两个元素都可比。记 ω(P) 为最大链大小。

在 Hasse 图中, ω(P) 为各自上而下路径中最长一条的顶点数,故也称为 P 的高(height);称 α(P) 为宽(width)。

定义:极小元、极大元

称 x 极小,若其无前驱;极大元无后继。

注:全体极小元及极大元分别构成反链。

定理:反链与链长乘积估计

α(P)⋅ω(P)≥|P|。

证明: 证法是借助“刨根问底”式构造,或者拆汉堡,whatever。我们递规地定义一个偏序集列 Pi=(Xi,⪯i) 及集合列 Mi⊂Pi,使得 Mi 为 Pi 的极小元集,且 Xi=X∖⋃j=1i−1Mj.

首先,令 P1=P=(X,⪯),X1=X 且 M0=∅。假设 Pi=(Xi,⪯)、 Mi−1 对任意 1≤i≤k 定义,这里 k 足够大。令 Mi={Pi 极小元},并令 Xi+1=X∖⋃j=1nMj,。令 Pi+1 为 P 限制在 Xi+1 上的偏序集。我们不断这么做,直到 Xl+1=∅。则我们有

|Mi|≤α(Pi)≤α(P).

由 X=⋃i=1lMi,故 |X|=∑i=1l|Mi|≤α(P)⋅l≤α(P)⋅ω(P),证毕。

事实上,我们可以证明更强的事实:若 x∈Mi, i≥2,则存在 y∈Mi−1 使得 y⊲x。

推论

若 |P|=rs+1,则要么存在 s+1 大小的链,要么存在 r+1 大小的反链。

来自病症的订单

——好吧,是“来自无序的有序”(The Order From Disorder)

定义:有序子列

略。

定理(Erdos-Szekeres)

对任意长为 mn+1 的序列,其中必有长为 m+1 的单增子列或 n+1 的单减子列。

证明: 将这些序列视作偏序集 P=(X,⪯):ai⪯aj 当且仅当 i≤j 与 ai≤aj 同时成立。由反链与链长乘积估计,要么有长为 m+1 的链(此时为单增子列),要么有长为 n+1 的反链(此时为单减子列)。

抽屉原理(The Pigeonhole Principle)

定理(抽屉原理)

|⨆i=1nXi|≥1+∑i=1n(|Xi|−1)⟹max|Xi|≥n.

例:度相等问题

例(0721)

任一图中有两个度相等的顶点。

证明: 否则,设 G 中每个度都只出现一次,则必须 d=0,1,⋯,|V|−1 都充当一次度,但 0 和 |V|−1 显然不能同时出现。

例:染色数(chromatic number)

定义:顶点染色

称图 G=(V,E) 的一个顶点染色为映射 f: V→C,C 为颜色集。称一个顶点染色是适当的,若相邻两点不同色。
称染色数 χ(G) 为 G 的适当染色的颜色集可能的最小大小。

定理:染色数的估计

设 G 有 n 个点,则 α(G)χ(G)≥n。

证明: 给定一个适当染色 G,颜色集大小为 χ(G)。将 V 划分为 χ(G) 个部分使得每个部分有相同颜色。注意到每个部分均为独立集,故存在一个独立集(一个部分),其大小至少为 nχ(G),故 α(G)≥n(G)χ(G)。

例:无因子子集(Subset without divisors)

定理:过半子集必有倍数关系

若 S⊂[2n],|S|≥n+1,则 S 中必有两个数 (i,j) 使 i∣j。反过来,最大使 S 中无倍数关系的子集数为 n。

注: 下面的证明说明,事实上可要求比值为 2 的幂次倍。

证明: 首先,显然 {n+1,⋯,2n} 无倍数关系。

其次,对任一奇数 2k−1, k∈[n],令 S2k−1={2i⋅(2k−1)∈S: i≥0}。显然 S=⋃k=1nS2k−1。由 |S|≥n+1,抽屉原理给出其中必有一个集合中至少有两个数,这两个数的比值为 2 的幂次倍。

例:有理逼近

定理:有理逼近的强化

给定 n∈Z+,则对任意 x∈R+,都存在 p,q 使得

  • q≤n,且
  • |x−pq|<1nq。

证明: 令 {x}=x−⌊x⌋。考虑 {ix}∈[0,1),i=1,2,⋯,n+1。

将 [0,1) 分为 n 段: [0,1/n),[1/n,2/n],⋯,[(n−1)/n,1)。由抽屉原理,必存在 {ix},{jx} 位于同一个区间。故

|(j−i)x−(⌊jx⌋−⌊ix⌋)|<1n.

取 q=j−i,p=⌊jx⌋−⌊ix⌋,即证。

Erdos-Szekeres 定理第二证

Erdos-Szekeres定理第二证: 考虑任意序列 {a0,a1,⋯,amn}。对任意 i∈{0,1,⋯,mn},令 fi 为从 ai 开始的最大递增子列长。设若 fi∈{1,2,⋯,m} 对任意 i∈{0,1,⋯,mn} 成立,由抽屉原理知存在 s∈{1,2,⋯,m} 使得至少有 n+1 个下标 i∈{0,1,⋯,mn} 使 fi=s。令这些元素为 i1<i2<⋯<in+1。

我们声称 ai1≥ai2≥⋯≥ain+1。事实上,若存在 aij<aij+1,则我们可以将 aij+1 处的最长递增链延长——将 aij 加入。这与 aij 处最长链长度为 s 矛盾。

Mantel 定理

定理(Mantel)

任一无 K3 图至多有 |V|24 条边。

我们只证 n:=|V| 为偶的情况。

证明: 令 n=2l。对 l 归纳。

l=1 显然。设命题对任意 2k<2l 个顶点时成立,则对顶点为 2k 的情形,含 k2+1 条边的图有一个 K3。现在令 n=2l 且|E(G)|≥l2+1。任取一边 xy,并令 H=G[V(G)∖{x,y}]。若 E(H)≥(l−1)2+1,由归纳假设知 H 有一个 K3,矛盾。因此 |E(H)|≤(l−1)2,这说明 {x,y} 与 H 之间的边数多于 2l−1。但 |H|=2l−2 ,由抽屉原理知 x,y 在 H 中有一个公共顶点 p,但 pxy 构成一个 K3,矛盾!

推广

若 G 无 Kk+1 ,则 |E(G)|≤(1−1k)n22。

证明: n=1,2,3,⋯,k 时是显然的。下设命题对任意 n<m 成立,则对 n=m,设若存在一个图 G 无 Kk+1 且 |E(G)|≥(1−1k)n22+1,则

分解到链与反链

偏序集的分解是将其划分为两两不交的链或反链。给定一个偏序集 P,目标是将其分解为尽可能少的链(或反链)。指导思想很简单:若一个偏序集有一个大小为 r 的链(反链),则其将不可分解为比 r 少的反链(链),原因是:在两种划分中,同一链(反链)中的两个点必在不同的反链(链)中。

练习(Mirsky)

假设 P 中最大链大小为 r,则 P 可被分解为 r 个反链。

证明: 对任意 x∈P,定义 x 的高度为以 x 为最大元素的极大链的长度,记作 htx。作分类:

Ai:={x∈P:htx=i},

我们证明每个 Ai 都是反链。否则,若存在某个 x,y∈Ai 使得 x<y,由它们的高都是 i,存在一个长为 i 的链 C ,其以 x 为最大元素;但 C∪{y} 是更长的一条链,因此 hty≥i+1,矛盾!从而各 Ai 为反链。

另一方面,由于最长的一条链大小为 r,则任一元素的高度至多为 r。此外,注意到对任意元素 x∈P,都存在至少一条链以 x 为最大元素(至少可以是它自己一人成军),因此 htx≥1,这说明由以上集给出的反链可以覆盖整个图。

最后,注意到一个链中的每个顶点必须在不同反链中,故上面给出的每个反链都非空。因此整个图恰可分为 A1,⋯,Ar 这些反链,证毕。

定理(Dilworth)

假设 P 中最大的反链大小为 r,则 P 可被分为 r 个链。

证明: 对 |P| 归纳。设 a 为 P 的一个极大元,r 为P′∖{a} 中最大反链的大小。则 P′ 是 r 个不交链 C1,⋯,Cr 之并。我们需要说明 P 要么包含一个 r+1 元反链,或其为 r 个不交链之并。现在,P′ 中每个 r 元反链的每个元素来自某个 Ci。设 ai 为 Ci 中最大元素,含于 P 的某些反链中。易知 A={a1,⋯,ar} 为 P′ 中的反链。若 A∪{a} 是 P 中反链,则证毕;否则,必有 a≻ai 对某个 i,因此 K={a}∪{x∈Ci: x⪯ai} 为 P 中的一个链,且 P∖K 中无 r 元反链(因为 ai 是 Ci 中参与此反链的极大元),同时 P∖K 是 r−1 个链之并:因为整个链 Ci 都被删掉了,无法构造出一个 r 元反链。证毕。

练习

说明 Dilworth 分解定理蕴含 Hall 定理。

提示:构造一个偏序集 X=S1∪⋯∪Sm及符号 y1,⋯,ym:若 x∈Si 则 x<yi,且无其它可比性。

证明: 构造集合 P=⋃Si∪{y1,⋯,ym},并定义提示所示的偏序。注意 X 本身是一个反链。另一方面,若一个反链包含某些 {yi}i∈I: I⊂[m],则该反链最大为

CI={yi: i∈I}∪(X∖⋃i∈ISi).

因此 |CI|≤|I|+|X|−|⋃i∈ISi|. 其它的反链均包含在 X 或某个 CI 中。

下面来由此导出 Hall 定理。

若 Hall 条件恒成立,即对任意 I⊂[m] 都有 |I|≤|⋃i∈ISi|,则 |CI|≤|X|,故最大反链长为 |X|。由 Dilworth 定理,P 由 |X| 个链所覆盖。但注意每个链要么形如 Si∋x<yi,要么是单元素链,设链覆盖中长为 2 的链有 m′ 条,则长为 1 的链有 |X|−m′ 条。则总元素数满足

m+|X|=|P|=2m′+(|X|−m′)⟹m′=m.

故长为 2 的链恰为 m 个。由于链覆盖不交,这些链对应的 X 中元素即为一个SDR。

反之,若存在 I 使 Hall 条件不成立,则最大反链不是 X,而是某个 CI。对这个 CI 来说,同上知长为 1 的链有 |CI|−m′ 条,此时 m′=m+|X|−|CI|<m,故无法选出SDR。