10、代数方法

奇偶镇

问题:奇偶镇

一个小镇有 n 个居民,它们希望建立一些俱乐部,按如下条件:

  1. 每个俱乐部有奇数个成员,且
  2. 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?

例子

  • Ai={i}i[n],给出 n 个俱乐部;
  • n 为偶数, Ai=[n]{i},给出 n 个俱乐部;
  • n 为偶数, A1=[n]{1},A2=[n]{2}Ai={1,2,i},i=3,,n,给出 n 个俱乐部。

问:是不是最多建立 n 个?

定理:奇偶镇

F2[n],满足:

  • 对任意 AF|A| 为奇;
  • 对任意 ABF|AB| 为偶

|F|n

证明: 对任意 AF,定义指示向量:

1AF2n,1A(i)=[iA].

则这些条件在有限域 F2 下转化为

1A1A=1,1A1B=0.

我们证明各 1S 线性无关。令 αAF2αA1A=0,则对任意 BF

0=01=(AFαA1A)1B=ABαA1A1B+αB1B1B=αB.

αB=0 对任意 B 成立。因此各 1A 线性无关。

综上,各 1A 的数量不超过 dimF2F2n=n。即满足条件的集合 A 的数量不超过 n

第二证: 考虑矩阵

A=(1A11Am)

AA=(111).

\rankA\rankAA=\rankI=m,故 A 满秩,所以 A 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:

事实

  1. 线性无关向量组的向量数目不超过线性空间的维数;
  2. \rank(AB)\rank(A)\rank(B)

练习:奇偶镇推广

考虑 m 个红俱乐部 R1,,Rm[n]m 个蓝俱乐部 B1,,Bm[n],使得

  • |RiBi| 为奇;
  • |RiBj| 为偶,ij

证明 mn;特别地,若第二个条件弱化为对所有 i<j 成立,则同样的结论仍然成立.

证明: 我们直接证明第二问.在 F2n 上做.对 X[n],令 IX=(I1X,I2X,,InX).定义矩阵

M1=(IR1IRm),M2=(IB1,,IBm).

\rankM1n\rankM2n.另一方面,由题知 IR1IB1=1IRiIBj=0i>j),于是

M1M2=(1011)

满秩.因此 \rankM1M2min{\rankM1,\rankM2}n

练习

m,n 为正整数,mn+1,则对任意 [n] 的子集族 A1,,Am,都存在下标集 I1,I2[m] 使得 I1I2=I1I2,且

iI1Ai=iI2Ai.

证明: 若某个 Ai 为空集,则

I1={i},I2=

满足条件.否则,对每个 Ai,记 vi 为其指示向量,则这些向量均不为0.由 mn+1,这些向量线性相关,因此存在互不相交的下标集 I1,I2 使得

iI1αivi=iI2αivi,αi>0,iI1I2.

特别地,对第 j 个位置,有

iI1αi1Ai(j)=iI2αi1Ai(j).

αi 为正,两边为 0 当且仅当所有的 1Ai(j) 均为0.在组合学语言中,这表明 jiI1Ai当且仅当 jiI2Ai.证毕.

偶奇镇

定理:偶奇镇

F2[n],满足:

  1. |A| 偶;
  2. |AB| 奇。

|F|n

我们先全出一个弱一点的结论:

引理:弱结论

满足这一条件的 F 满足 |F|n+1

证明:F 中的每一个集合 A 加入一个新元素 n+1,得到新集族 F。则 F 是奇偶镇。

原定理的证明: 只需证明 |F|n+1。反设 F={A1,,An+1},则对任意 1in+1,定义 1AF2n 同上。则这些向量在 F2n 中线性相关,因此存在非全零的 αi 使得

i=1n+1αi1Ai=0.

由偶奇镇假设,我们有

{1A1A=0;1A1B=1.

因此,我们有

0=01Aj=(i=1n+1αi1Ai)1Aj=i=1n+1αiαj.

αj=i=1n+1αi,因此全体 αi 均相等。但其非全零,故全1,这说明 1=n+1,即 n 偶。**n 偶的结论非常重要!

然而,另一方面,我们有

i=1n+11Ai=0.

考虑 Fc={Ac:AF},则 Fc 也是偶奇镇(|Ac|=n|A| 偶), |AcBc|=n|AB|=n|A||B|+|AB| (奇)),同样有

i=1n+11Aic=0.

于是 0=+c=(n+1)1=1,矛盾!

有一个更好的界是

定理:偶奇镇的深化

F2[n] 是偶奇镇,则

  • n 奇时, |F|n
  • n 偶时,|F|n1
定理:偶偶镇

F2[n] 是偶偶镇,即

  1. |A| 偶;
  2. |AB| 偶。

|F|2n/2

证明: 设出指示向量 1AF2n: AF,由题知

Fisher 不等式

定理:Fisher 不等式

对固定的 k,令 F2[n] 满足 |AB|=k,对任意 ABF. 则 |F|n

证明: 对每个 AF,定义指示向量 1ARn。 则对任意 ABF1A1B=k。和从前一样,我们说明各 1ARn 是线性无关的。

考虑线性组合 AFαA1A=0αAR。则

0=(AFαA1A)2=AFαA21A1A+ABαAαB1A1B=AFαA2|A|+kABαAαB=k(AFαA)2+AFαA2(|A|k).

注意到每个 A 都至少含 k 个元素,这给出 AFαA2(|A|k)0,故 k(AFαA)20,因此两个项都等于 0。这说明 AFαA=0,且 αA2(|A|k)=0 对任意 AF 成立。

然而,由于 |AB|=kAB 成立,至多有一个集合为 k 元集。若存在这样的集合,记其为 A,则对任意 AF{A}αA=0。但 α=0,故全体 α=0,这就给出了线性无关性,从而 |F|n。证毕。

现在,我们来考虑 Fisher 不等式的一些应用。

定理(De Brujin-Erdos)

PR2 中的 n 点集,则要么其共线,要么其构成 n 条线。

证明:L 为这 n 个点定义的直线族。我们说明要么 |L|=1,要么 |L||P|=n

对每个点 xiP,定义分划 Li:={lL: lxi}。 注意到对 ij|LiLj|=1;同时若存在 ij 使 Li=Lj,则 P 中所有点共线。因此,要么 |L|=1,此时所有点共线;要么对每两个点 xi,xjPLiLj

假设后者成立,令 F={Li: xiP}2L,即全体直线族分划的集族。则

LiLj={直线ij},|LiLj|=1=:k.

满足 Fisher 不等式条件,故 |F||L|。但 |F|=|P|=n,证毕!

Fisher 不等式的第二种应用是显式构造 Ramsey 数 R(k+1,k+1) 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。

引理

G 为图,满足:

  • V(G)([k]3),即顶点集为三元组;
  • ABE(G) 当且仅当 |AB|=1

G 不包含任意一个 k+1 大小的团或独立集。

证明: 考虑 G 中的最大团,如用顶点 A1,A2,,Am([k]3)2[k]|AiAj|=1 定义。由 Fisher 不等式,我们有 mk

现在,考虑 G 中的最大独立集,如由 B1,B2,,Bt([k]3) 定义。注意到 |Bi|=3 为奇数且 |BiBj|=02 为偶数。由奇偶镇定理tk

推论

R(k+1,k+1)>(k3).

1-距离问题

1-距离问题

给定 R2 上的 n 个点,求距离 1 的点对数最大值。

定理

点对数最大值至多为 O(n3/2) 对。

证明: 定义图 G:对点 a,babE(G) 当且仅当 d(a,b)=1

我们证明 GK2,3。注意到 a 的邻居必在以 a 为中心、半径 1 的圆上,任意如此的两个圆只能交于两点,因此 GK2,3

\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

e(G)ex(n,K2,3)=O(n3/2).
Erdos 的Open Problem

是否可以找到 n1+ε 个点组成的 1-距离对子?

一个对偶问题是:是否 R2 中任意 n 个点都包含至多 n1+O(1/loglogn) 个1-距离对子?这也是Open 的。

问题

Rn 中,两两间距离为 1 的点集点数最大值是多少?

定理

这样的点数至多为 n+1

证明: 这样的构造当然存在(Rn 中超正 n+1 面体)。现在考虑这些点的一个集合,假设有 m+1 个点,只需证明 m<n。不妨将其中一个点设为 0,另一些点设为向量 v1,,vmRn。则

A=(v1v2vm),则 AA=(11/21/21/211/21/21/21). 注意 det(AA)0,故 A 的各行线性无关,从而 mn

多项式空间法

引理:三角准则(Triangular Criterion)

i[n],令 fi: ΩF 为多项式,这里 F 是域。如果存在元素 viΩ 使得

{fi(vi)0;fi(vj)=0, j<i.

则各 fi 在其张成的线性空间中线性无关。

定义:2-距离集合

Rn 中的点集,两两之间距离不是 c 就是 d。(“两种距离”)

定理

Rn 中的2-距离集至多有 (n+1)(n+4)2 个点。

证明:A={a1,,am}{c,d}2距离点集。对任意 i[m],定义

fi(x)=(xai2c2)(xai2d2),xRn.

则我们有

{fi(ai)=c2d20;fi(aj)=(aiaj2c2)(aiaj2d2)=0,ji.

三角准则,诸 fiS:=span{fi}1im 中线性无关,i.e. dimS=m。我们接下来界定 dimS 的界。

x=(x1,,xn)ai=(ai1,,ain)。注意到

fj(x)=(i(xiaji)2c2)(i(xiaji)2d2)=(ixi22ixiaji+iaji2c2)(ixi22ixiaji+iaji2d2).

其可被表示为如下一组基的线性组合:

B={(ixi2)2,xj(ixi2),xixj,xi2,xi,1}.

这组基共有 1+n+(n2)+n+n+1=(n+1)(n+4)2 个元素,证毕。

Remark

此方法可推广至 k距离问题。

练习(A. Blokhuis)

把上述命题加强到 (n+22)

证明: 在题目中定义的多项式

fi(x)=(xai2c2)(xai2d2),i=1,,m

的基础上,再定义辅助多项式

1, x1, x2, x3, , xn.

即常数及各坐标分量.我们证明 {fi} 及诸辅助多项式线性无关.注意这些辅助多项式在上题的 B 中,因此也在空间中,这就给出

{fi}i=1m{1,x1,,xn}\spanBm+(n+1)dim\spanB|B|=(n+22)+n+1.

假设我们有

i=1mcifi(x)+i=1ndixi+C=0.

x=aj,得

(2)c2d2cj+i=1ndiaji+C=0,j=1,2,,m.

x=kej,这里 ei 是单位矩阵第 j 列,得

i=1mci(k22kaji+aj2c2)(k22kaji+aj2d2)+kdi+C=0.

比较 k4k3 项系数得

i=1mci=0,j=1mciaji=0, j=1,,d.

把 (2) 乘以 ci,再对 i 求和得

i=1mci2+i=1ndij=1mcjaji+Cj=1mcj=0.

如上的两大行式子给出 ci=0,i=1,,m.同时也有 C=di=0.证毕.

问题:s-距离集

m(n,s)Rn 中点数最大值:两两之间的距离取到至多 s 个值.证明

(n+1s)m(n,s)(n+s+1s).

证明: 下界.取 Rn 中的单形,各顶点为 v1,,vn+1.取

S={wI=1siIvi: I([n+1]s)}.

|S|=(n+1s),且对不同的 I,J,有 wIwJ 只与 |IJ| 有关,故只取至多 s 个不同值.因此 m(n,s)(n+1s)

上界.令 X={a1,,am}Rn 只取 s 个值 δ1,,δs.令

F(x,y)=t=1s(xy2δt2).

fi(x)=F(ai,x),则每个 fi 是次数至多为 2s 的多项式.但是这里计数是困难的,需要一点强词夺理.考虑

fi(x)=t=1s(x22x,ai+ai2δt2)=t=1s(i=1nxi22j=1naijxj+ai2δt2).

如果直接计数会出来 2s 次,这样张成的多项式空间是 (n+2s2s) 了,很难受.为了降低次数,令 y0=x2,则 fi 视作以 y0,x1,,xn 为变量的多项式时总次数为 s.而 y0,x1,,xn 张成的多项式空间维数至多为 (n+s+1s)

最后,各 {fi} 线性无关:首先 fi(ai)=δt20,其次 fi(aj)=0.由三角准则知线性无关,故证毕.

L-相交系

定义: L-相交系

考虑子集 L{0,,n}。称族 F2[n] 是 L-相交的,若对任意 ABF|AB|L

定理(Frankl-Wilson)

F2[n]L相交系,则 F|k=0|L|(nk)

证明:F={A1,,Am}|A1||Am|。 对每个 i[m],定义

fi(x): RnR,xlL,l<|Ai|(x1Ail).

考虑指示向量 1A1,1A2,,1Am,则我们有

这是因为 l=|AiAj|L,且 l<|Ai| 对某些 l 成立(由 j<i|Aj|<|Ai|)。由三角准则,各 fi 线性无关。

接下来,我们定义一些新的多项式 f~i(x),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 1Aj0/1 向量,令 f~i(x) 为将 fi(x) 中各 xjk 项都换成 xj。注意到 f~i(1Aj)=fi(1Aj),因此新定义的这些函数都是线性无关的,且 f~i(x) 的各项是单项式 iIxi 之和,I 为某种指标集。显然这样的单项式共有 k=0|L|(nk) 个,这就给出了结论

|F|=|m|k=0|L|(nk).
练习

{A1,,Am}[n] 中的 L相交系,且各个 Ai 大小恒为 kL[k1]{0},证明 m(n|L|)

证明:L={l1,,ls}s=|L|.对每个 i[m],定义

fi(x)=t=1s(x1Ailt).

对每个 I[n]|I|s1,定义

gI(x)=(j=1nxjk)iIxi.

{fi}{gI} 线性无关.具体来说,设

i=1mλifi+|I|s1μIgI=0,

x=1Aj 计算(ij),则 fj(1Aj)=t=1s(klt)0gI(1Aj)=0 (因 jxj=k). 因此 λj=0j

现在,假设 |I|s1μIgI=0,我们对 |I| 归纳证明 μI=0.选定 J[n] 使得 |J|s1 最小且 μJ0.计算关联向量 1J:对任意 IJgI(1J)=0 除非 I=J.(因为 xj=|J|k|J|s1<k).于是 0=μIgI(1J)=μJgJ(1J),但 gJ(1J)0,矛盾.从而所有 μI=0

如上的多项式次数最多为 s,且限制在 F2n 上均为多线性的,因此其位于 iIxi 中,|I|s——这样的多项式空间大小为 t=0s(nt).因此 gI 的数目为 t=0s1(nt),故

m+t=0s1(nt)t=0s(nt).

m(ns)=(n|L|)

定理

p 为素数, LFp,令 F2[n] 满足

  • |A|Lmodp,对任意 A
  • |AB|L,对任意 AB

F|k=0|L|(nk).

证明: 所有操作在模 p 下进行。令 F={A1,,Am},令 fi(x): FpFp

fi(x)=lL(x1Ail).

于是 f1,,fmFpn 上线性无关。再作上述定理证明中一样的规换 xjkxj,即证。

注意

这是奇偶镇或偶奇镇问题的一个推广。

定理(Frankl-Wilson)

对任意素数 p,存在一个 n=(p3p21) 阶图 G,使得其中的最大团和最大独立集的大小均不超过 i=0p1(p3i)

证明:G=(V,E),这里 V=([p3]p21)。对 A,BV,定义等价关系

AGB|AB|1(modp).

考虑由 A1,,Am([p3]p21) 构成的最大团。我们有

L={0,1,,p2}Fp 应用上面的定理,可得 mi=0p1(p3i)

考虑最大的独立集 B1,,Bt。则我们有 |BiBj|=1(modp)ij,这给出 |BiBj|{p1,2p1,,p(p1)1}=L|L|=p1。因此 B1,,Bt([p3]p21) 的一个 L相交系。由第一个 Frankl-Wilson 定理,可得 ti=0p1(p3t),证毕。

推论

R(k+1,k+1)kΩ(logk/(loglogk)).

证明: 由上述定理的证明过程,令 k=i=0p1(p3i),则 R(k+1,k+1)>n。我们有

k=i=0p1(p3i)(p3p)(p2)pp2p,n(p3p2)p2pp2.

这表明 logkplogploglogklogp,于是 plogkloglogk。故

n=(p3p21)(p2p)p/2kp=kΩ(logk/(loglogk)).