8、Ramsey 定理

Ramsey 数

事实:六人派对

设一个派对有六个人,则其中要么有三人互相认识,要么有三人互相不认识。

证明: 考虑一个图 GV(G)=[6]。考虑顶点 1。不妨设 1 与三个顶点相连(否则考虑补图),如 2,3,4。若 23,24,34之一相邻,则存在三角形;若均不相邻,则这三个点的补图存在三角形。

定义:边染色

一个 r边染色是一个 f: E(Kn){1,2,,r}.

定义: Ramsey 数

k,l ,Ramsey 数 R(k,l) 定义为最小的 N,使得 KN 任意一个 2-染色中要么有一个蓝色 Kk,要么有一个红色 Kl

深入理解:

事实

  1. R(k,l)=R(l,k)
  2. R(2,l)=lR(k,2)=k
  3. R(3,3)=6

证明: 1 是显然的。对2, 注意到 Kl1 可以全涂红,此时既无2蓝边又无 l 红边。另一方面,显然 Kl 是对的。对3,只需证 K5 不成立:将外部五边形涂红,内部五角星涂蓝即可。

定理:Ramsey 数的加法估计

R(k,l)R(k1,l)+R(k,l1).

证明:n=R(k1,l)+R(k,l1)。对任意2-边染色 G=Kn,对任意 x,定义 A={yV(G){x}: xy 为蓝色}B={yV(G){x}:xy 为红色}。则

|A|+|B|=n1=R(k1,l)+R(k,l1)1.

由抽屉原理,要么 |A|R(k1,l),要么 |B|R(k,l1)。注意 Kn 的诱导子图都是完全图,故 G[A]G[B] 之一中有 R(k1,l)R(k,l1),则 G[A{x}]G[B{y}] 中有一个要么包含 Kk 红,要么包含 Kl 蓝。

定理(Ramsey)

R(k,l) 有限。具体来说,

R(k,l)(k+l2k1).

证明: 归纳法。基础为 R(2,l)=R(l,2)=l。设 R(s,t) 满足条件对任意 s+t<k+l,则

R(k,l)R(k1,l)+R(k,l1)(k1+l2k2)+(k+l12k1)=(k+l2k1).
练习

用 Ramsey 定理证明:对任意 k2,都存在正整数 n 使得任意 n 个不同实数的序列都有一个 k 长度单调子序列.

证明:n=R(k,k),对任一序列 a1,,an,构造完全图 Kn:顶点集为 a1,,an,且对 1i<jn,边 aiaj 染红,若 ai<aj;染蓝,若相反.由 Ramsey 定理,存在一个单色 Kk——这给出一个单调链.

定理:加强

若对某个 (k,l)R(k1,l)R(k,l1) 均为偶数,则

R(k,l)R(k1,l)+R(k,l1)1.

证明:n=R(k1,l)+R(k,l1)1,则 n 为奇。考虑 Kn 的一个 2边染色。对任意顶点 x,同上定义 AxBx 集。先前的证明告诉我们 |Ax|R(k1,l)|Bx|R(k,l1) 时可以找到蓝 Kk 或红 Kl。 若设 |Ax|R(k1,l)1|Bx|R(k,l1)1 对任意顶点 v,则

n=Ax+Bx1R(k1,l)+R(k,l1)1.

这说明对任意 x|Ax|=R(k1,l)1|Bx|=R(k,l1)1。现在考虑由蓝边组成的图 G。注意 G 有奇数个顶点且任意顶点都有奇数度数,矛盾!

推论

R(3,4)=9

证明: R(2,4)=4R(3,3)=6,于是

R(3,4)R(2,4)+R(3,3)1=9.

K8 的一个反例是:用红色染 K8 的外圈及四条直径。

已知的几个例子是: K(4,4)=18K(4,5)=25,且 K(5,5)4346 之间。

定义:多重 Ramsey 数

k2、整数 s1,,sk2,Ramsey 数 Rk(s1,,sk) 是最小的正整数 N,使得任何一个 k染色都有一个 Ksi 团。

练习

证明:

Rk(s1,,sk)<.

证明: n=2 已证。设命题对 k1 成立,令 n=Rk1(s1,,sk2,R2(sk1,sk)),由归纳假设知 n<.对 Kn 的一个 k 染色,我们把第 k 色改为 k1 色.若存在单色 Ksi1ik2,已证.若不存在,则存在一个 KR2(sk1,sk1),其中有颜色 k1.回到原图中,这个子图中要么有一个 k1Ksk1,要么有一个 kKsk,于是

Rk(s1,,sk)Rk1(s1,s2,,R2(sk1,sk))<.

综上,证毕.

练习

证明

2kRk(3,3,,3)(k+1)!.

证明: 先证左端.归纳法.k=2 时显然.假设命题对 k 成立,我们证明命题对 k+1 成立.由归纳假设,存在 k边染色 K2k,使得不存在单色三角形.令 K2kK2k 的一个拷贝.对任意 aK2kbK2k,把 ab 之间连一根 k+1 染色的线.这就得到了一个 k+1 染色的 K2k+1 图.从而 Rk(3,3,,3)2k

再证右端.同样用归纳法. k=2 时显然.设命题对 k 成立,则对 k+1 ,令 nk=(k+1)Rk(3,3,,3)+1.我们证明

Rk+1(3,,3)nk,k1.

事实上,考虑 Knkk+1 染色.固定一个顶点 vKnk.由于 vnk1 条边相关联,存在一个颜色 i 使得

nk1k+1=Rk(3,3,,3)

条边染色 i.考虑子图 H 由顶点 u 诱导,使得 uv 有颜色 i.如果 H 中存在一条有颜色 i 的边,则其中有 i 三角;否则 Hk 种颜色染成,由于其中至少有 Rk(3,,3) 个点,因此 H 中存在一个单色三角形.综上无论如何图中都有一个单色三角形,此时

Rk+1(3,,3)(k+1)(k+1)!+1=(k+2)!.

证毕.

定理(Schur)

k2,存在整数 N=N(k) 使得对任意染色 φ: [N][k],存在整数 x,y,z[N] 使 φ(x)=φ(y)=φ(z)x+y=z

证明:N=Rk(3,3,,3)。定义 k边染色 ijφ(|ij|)。则存在单色三角形 ijl,则 φ(lj)=φ(li)=φ(ji)。令 x=lj,y=ji,z=li即证。

定理(Schur)

对任意 m1,存在整数 p(m) 使得对任意 pp(m)xm+ym=zmmodp 有解。

证明: 考虑 Zp 的生成元 g,定义染色 φ:Zp{0,1,,m1}, gim+jj,这里 0j10im+jp2。 取上面的定理中给出的 N(m)p(m),则由题知存在 x,y,zZp 使得 x+y=zφ(x)=φ(y)=φ(z),于是

gi1m+j+gi2m+j=gi3m+jmodp.

即证。

集合上 Ramsey 定理

现在,考虑 [n]k 元子集上的染色。图 Ramsey 定理对 k=2 时有说法。

定理

对任意自然数 1ksr2,存在自然数 n=Rr(k;s) 使得对任意 [n]k子集都被染为 r 种颜色,都存在一个 [n]s 子集,使得所有 k子集都有同一颜色。

为了证明,我们首先观察到只需研究 r=2 时即可。

引理:被2控制

Rr+1(k;s)Rr(k;R2(k;s)).

证明:N=Rr(k;R2(k;s))。设 N 元集对其 k 子集的一种 r+1 染色 0,1,,r 给定。将其考虑为这种 r染色:0,1 对 应同一种。由 N 的选法,要么存在一个 R2(k;s) 元子集,其中颜色由 2,,r 给出(则已证),要么存在一个 R2(k;s) 元子集 Y,其中染色均为 01。由 Y 的大小,其一些 s 元子集的各 k元集必是单色的。

定理的证明: 为了更方便证明,我们定义一种更精细版本的 Ramsey 数。令 R(k;s,t) 满足如下条件:如果一个 n 元集的 k子集被两种颜色 0,1 染色,则要么某些 s 子集的全体 k 子集染 0, 要么某些 t 子集的全体 k 元集染 1。则只需证 R(k;s,s) 存在,对任意 sk。我们证明:

R(k;s,t)n:=R(k1;R(k;s1,t),R(k;s,t1))+1.

k,s,t 归纳。注意到由抽屉原理,R(1;s,t)=s+t1;且R(k;x,k)=R(k;k,x)=x,对任意 kxk。由归纳假设, 设 R(k;s1,t)R(k;s,t1) 均存在,并取任一 n 元集 Xn 如上定义。

χXk 元子集的一个 2-染色。固定一个点 xX并令 X=X{x}。定义 X 上的一个新的 k1 元染色为

χ(A)=χ(A{x}).

由对称性,可设找到了一个子集 YX,使得 |Y|=R(k;s1,t)

χ(A)=0,k1 元集AY.

现在,考虑 χ 如何作用于 Y。由 Y 的大小,其必要么有一个 t 元子集,其 k 子集被染为颜色 1 (证毕)或包含一个 s1 元集 Z,其 k子集被染为 0。对后者,考虑 s 元子集 Z{x} 的一个 k 子集 B。若 xB,则 BZk 子集,故 χ(B)=0。若 xB,则 χ(B)=χ(A{x})=χ(A)=0。证毕。

一个最古老但最高人气的应用是

定理(Erdos-Szekeres)

m3 为正整数。则存在一个正整数 n ,使得平面内任意满足三点不共线的 n 点集,包含 m 个点构成一个凸 m 边形。

证明:n=R2(3;m)。令 A 为题中所示的图形。对任意 a,b,cA,令 |abc|A 中位于三角形 abc 内的点数。

对点三元组,定义一个2-染色 χχ(a,b,c)=0|abc| 偶, 反之为 1。由 n 的选择,存在一个 m 元子集 BA 使得其任意 3元子集得到同样的染色。则 B 的点构成一个凸多边形:否则存在四点 a,b,c,d 使得 d 位于三角形 abc 中。由于任意三点不共线,我们有

|abc|=|abd|+|acd|+|bcd|+1.

χ 作用在各三点组上为常数,矛盾!