奇偶镇
一个小镇有 个居民,它们希望建立一些俱乐部,按如下条件:
- 每个俱乐部有奇数个成员,且
- 任意两个俱乐部有偶数个共同成员。
它们可以建立多少个俱乐部?
- ,,给出 个俱乐部;
- 为偶数, ,给出 个俱乐部;
- 为偶数, ,,,给出 个俱乐部。
问:是不是最多建立 个?
,满足:
- 对任意 , 为奇;
- 对任意 , 为偶
则 。
证明: 对任意 ,定义指示向量:
则这些条件在有限域 下转化为
我们证明各 线性无关。令 ,,则对任意 有
故 对任意 成立。因此各 线性无关。
综上,各 的数量不超过 。即满足条件的集合 的数量不超过 。
第二证: 考虑矩阵
则
由 ,故 满秩,所以 向量组无关。
在线性代数证明中,如下的两个事实是最好用的:
- 线性无关向量组的向量数目不超过线性空间的维数;
- 。
考虑 个红俱乐部 , 个蓝俱乐部 ,使得
- 为奇;
- 为偶,.
证明 ;特别地,若第二个条件弱化为对所有 成立,则同样的结论仍然成立.
证明: 我们直接证明第二问.在 上做.对 ,令 .定义矩阵
则 ,.另一方面,由题知 , (),于是
满秩.因此 .
令 为正整数,,则对任意 的子集族 ,都存在下标集 使得 ,,且
证明: 若某个 为空集,则
满足条件.否则,对每个 ,记 为其指示向量,则这些向量均不为0.由 ,这些向量线性相关,因此存在互不相交的下标集 使得
特别地,对第 个位置,有
由 为正,两边为 当且仅当所有的 均为0.在组合学语言中,这表明 当且仅当 .证毕.
偶奇镇
令 ,满足:
- 偶;
- 奇。
则 。
我们先全出一个弱一点的结论:
证明: 往 中的每一个集合 加入一个新元素 ,得到新集族 。则 是奇偶镇。
原定理的证明: 只需证明 。反设 ,则对任意 ,定义 同上。则这些向量在 中线性相关,因此存在非全零的 使得
由偶奇镇假设,我们有
因此,我们有
故 ,因此全体 均相等。但其非全零,故全1,这说明 ,即 偶。** 偶的结论非常重要!
然而,另一方面,我们有
考虑 ,则 也是偶奇镇( 偶), (奇)),同样有
于是 ,矛盾!
有一个更好的界是
若 是偶奇镇,则
- 当 奇时, ;
- 当 偶时,。
若 是偶偶镇,即
- 偶;
- 偶。
则 。
证明: 设出指示向量 ,由题知
- ;
- .
因此 ,故 。但 ,于是 ,即
Fisher 不等式
对固定的 ,令 满足 ,对任意 . 则 。
证明: 对每个 ,定义指示向量 。 则对任意 ,。和从前一样,我们说明各 在 是线性无关的。
考虑线性组合 ,。则
注意到每个 都至少含 个元素,这给出 ,故 ,因此两个项都等于 。这说明 ,且 对任意 成立。
然而,由于 对 成立,至多有一个集合为 元集。若存在这样的集合,记其为 ,则对任意 有 。但 ,故全体 ,这就给出了线性无关性,从而 。证毕。
现在,我们来考虑 Fisher 不等式的一些应用。
为 中的 点集,则要么其共线,要么其构成 条线。
证明: 令 为这 个点定义的直线族。我们说明要么 ,要么 。
对每个点 ,定义分划 。 注意到对 ,;同时若存在 使 ,则 中所有点共线。因此,要么 ,此时所有点共线;要么对每两个点 , 。
假设后者成立,令 ,即全体直线族分划的集族。则
直线满足 Fisher 不等式条件,故 。但 ,证毕!
Fisher 不等式的第二种应用是显式构造 Ramsey 数 的一个界——虽然这个界比先前通过概率方法证明的一个界还要弱。
令 为图,满足:
- ,即顶点集为三元组;
- 当且仅当 。
则 不包含任意一个 大小的团或独立集。
证明: 考虑 中的最大团,如用顶点 及 定义。由 Fisher 不等式,我们有 。
现在,考虑 中的最大独立集,如由 定义。注意到 为奇数且 或 为偶数。由奇偶镇定理,。
1-距离问题
给定 上的 个点,求距离 的点对数最大值。
证明: 定义图 :对点 , 当且仅当 。
我们证明 无 。注意到 的邻居必在以 为中心、半径 的圆上,任意如此的两个圆只能交于两点,因此 无 。
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\fill[black] (0,0) circle (.05) node[left] {$p_1$};
\fill[black] (4,0) circle (.05) node[right] {$p_2$};
\draw[help lines] (0,0) circle (2.5);
\draw[help lines] (4,0) circle (2.5);
\fill[black] (2,1.5) circle (.05) node[left] {$q_1$};
\fill[black] (2,-1.5) circle (.05) node[left] {$q_2$};
\fill[black] (2,-3) circle (.05) node[left] {$q_3????$};
\draw (0,0) -- (2,1.5);
\draw (0,0) -- (2,-1.5);
\draw (4,0) -- (2,1.5);
\draw (4,0) -- (2,-1.5);
\draw[dashed] (0,0) -- (2,-3);
\draw[dashed] (4,0) -- (2,-3);
\draw[red] (-.5,.5) rectangle (4.5,-.5);
\draw[blue] (1.5,2) rectangle (2.5,-3.5);
\end{tikzpicture}
\end{document}
因此,我们有
是否可以找到 个点组成的 1-距离对子?
一个对偶问题是:是否 中任意 个点都包含至多 个1-距离对子?这也是Open 的。
中,两两间距离为 1 的点集点数最大值是多少?
证明: 这样的构造当然存在( 中超正 面体)。现在考虑这些点的一个集合,假设有 个点,只需证明 。不妨将其中一个点设为 ,另一些点设为向量 。则
- ;
- 。(注意 构成正三角形)
令 ,则 注意 ,故 的各行线性无关,从而 。
多项式空间法
引理:三角准则(Triangular Criterion)
对 ,令 为多项式,这里 是域。如果存在元素 使得
则各 在其张成的线性空间中线性无关。
中的点集,两两之间距离不是 就是 。(“两种距离”)
中的2-距离集至多有 个点。
证明: 令 为 距离点集。对任意 ,定义
则我们有
由三角准则,诸 在 中线性无关,i.e. 。我们接下来界定 的界。
令 ,。注意到
其可被表示为如下一组基的线性组合:
这组基共有 个元素,证毕。
证明: 在题目中定义的多项式
的基础上,再定义辅助多项式
即常数及各坐标分量.我们证明 及诸辅助多项式线性无关.注意这些辅助多项式在上题的 中,因此也在空间中,这就给出
假设我们有
取 ,得
取 ,这里 是单位矩阵第 列,得
比较 , 项系数得
把 (2) 乘以 ,再对 求和得
如上的两大行式子给出 .同时也有 .证毕.
令 为 中点数最大值:两两之间的距离取到至多 个值.证明
证明: 下界.取 中的单形,各顶点为 .取
则 ,且对不同的 ,有 只与 有关,故只取至多 个不同值.因此 .
上界.令 只取 个值 .令
令 ,则每个 是次数至多为 的多项式.但是这里计数是困难的,需要一点强词夺理.考虑
如果直接计数会出来 次,这样张成的多项式空间是 了,很难受.为了降低次数,令 ,则 视作以 为变量的多项式时总次数为 .而 张成的多项式空间维数至多为 .
最后,各 线性无关:首先 ,其次 .由三角准则知线性无关,故证毕.
L-相交系
考虑子集 。称族 是 L-相交的,若对任意 ,。
若 为 相交系,则 。
证明: 令 ,。 对每个 ,定义
考虑指示向量 ,则我们有
- ;
- ,对任意 。
这是因为 ,且 对某些 成立(由 时 )。由三角准则,各 线性无关。
接下来,我们定义一些新的多项式 ,使得各多项式线性无关——但这些多项式位于一个“更好”的线性空间。注意到各 为 向量,令 为将 中各 项都换成 。注意到 ,因此新定义的这些函数都是线性无关的,且 的各项是单项式 之和, 为某种指标集。显然这样的单项式共有 个,这就给出了结论
令 为 中的 相交系,且各个 大小恒为 ,,证明 .
证明: 令 ,.对每个 ,定义
对每个 ,,定义
则 、 线性无关.具体来说,设
对 计算(),则 , (因 ). 因此 ,.
现在,假设 ,我们对 归纳证明 .选定 使得 最小且 .计算关联向量 :对任意 , 除非 .(因为 ,).于是 ,但 ,矛盾.从而所有 .
如上的多项式次数最多为 ,且限制在 上均为多线性的,因此其位于 中,——这样的多项式空间大小为 .因此 的数目为 ,故
故 .
令 为素数, ,令 满足
- ,对任意 ;
- ,对任意 。
则 .
证明: 所有操作在模 下进行。令 ,令 为
则
- ;
- ,。
于是 在 上线性无关。再作上述定理证明中一样的规换 ,即证。
对任意素数 ,存在一个 阶图 ,使得其中的最大团和最大独立集的大小均不超过 。
证明: 令 ,这里 。对 ,定义等价关系
考虑由 构成的最大团。我们有
- ,。
- 。
对 应用上面的定理,可得 。
考虑最大的独立集 。则我们有 ,,这给出 ,。因此 是 的一个 相交系。由第一个 Frankl-Wilson 定理,可得 ,证毕。
证明: 由上述定理的证明过程,令 ,则 。我们有
这表明 ,,于是 。故