Ramsey 数
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 ,。考虑顶点 。不妨设 与三个顶点相连(否则考虑补图),如 。若 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。
一个 边染色是一个 .
对 ,Ramsey 数 定义为最小的 ,使得 任意一个 2-染色中要么有一个蓝色 ,要么有一个红色 。
深入理解:
- 若 ,则 的任一个2-边染色要么有蓝 ,要么有红 ;
- 若 ,则存在一种2-边染色,既无蓝 也无红 。
- 。
- ,。
证明: 1 是显然的。对2, 注意到 可以全涂红,此时既无2蓝边又无 红边。另一方面,显然 是对的。对3,只需证 不成立:将外部五边形涂红,内部五角星涂蓝即可。
证明: 设 。对任意2-边染色 ,对任意 ,定义 及 。则
由抽屉原理,要么 ,要么 。注意 的诱导子图都是完全图,故 和 之一中有 或 ,则 或 中有一个要么包含 红,要么包含 蓝。
有限。具体来说,
证明: 归纳法。基础为 。设 满足条件对任意 ,则
用 Ramsey 定理证明:对任意 ,都存在正整数 使得任意 个不同实数的序列都有一个 长度单调子序列.
证明: 令 ,对任一序列 ,构造完全图 :顶点集为 ,且对 ,边 染红,若 ;染蓝,若相反.由 Ramsey 定理,存在一个单色 ——这给出一个单调链.
若对某个 , 与 均为偶数,则
证明: 设 ,则 为奇。考虑 的一个 边染色。对任意顶点 ,同上定义 与 集。先前的证明告诉我们 或 时可以找到蓝 或红 。 若设 且 对任意顶点 ,则
这说明对任意 , 且 。现在考虑由蓝边组成的图 。注意 有奇数个顶点且任意顶点都有奇数度数,矛盾!
证明: ,,于是
的一个反例是:用红色染 的外圈及四条直径。
已知的几个例子是: ,,且 在 和 之间。
对 、整数 ,Ramsey 数 是最小的正整数 ,使得任何一个 染色都有一个 团。
证明: 已证。设命题对 成立,令 ,由归纳假设知 .对 的一个 染色,我们把第 色改为 色.若存在单色 ,,已证.若不存在,则存在一个 ,其中有颜色 .回到原图中,这个子图中要么有一个 色 ,要么有一个 色 ,于是
综上,证毕.
证明
证明: 先证左端.归纳法. 时显然.假设命题对 成立,我们证明命题对 成立.由归纳假设,存在 边染色 ,使得不存在单色三角形.令 是 的一个拷贝.对任意 ,,把 之间连一根 染色的线.这就得到了一个 染色的 图.从而 .
再证右端.同样用归纳法. 时显然.设命题对 成立,则对 ,令 .我们证明
事实上,考虑 的 染色.固定一个顶点 .由于 与 条边相关联,存在一个颜色 使得
条边染色 .考虑子图 由顶点 诱导,使得 有颜色 .如果 中存在一条有颜色 的边,则其中有 三角;否则 由 种颜色染成,由于其中至少有 个点,因此 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
证毕.
对 ,存在整数 使得对任意染色 ,存在整数 使 且 。
证明: 令 。定义 边染色 。则存在单色三角形 ,则 。令 即证。
对任意 ,存在整数 使得对任意 , 有解。
证明: 考虑 的生成元 ,定义染色 , ,这里 且 。 取上面的定理中给出的 为 ,则由题知存在 使得 且 ,于是
即证。
集合上 Ramsey 定理
现在,考虑 的 元子集上的染色。图 Ramsey 定理对 时有说法。
对任意自然数 及 ,存在自然数 使得对任意 的 子集都被染为 种颜色,都存在一个 的 子集,使得所有 子集都有同一颜色。
为了证明,我们首先观察到只需研究 时即可。
证明: 令 。设 元集对其 子集的一种 染色 给定。将其考虑为这种 染色: 对 应同一种。由 的选法,要么存在一个 元子集,其中颜色由 给出(则已证),要么存在一个 元子集 ,其中染色均为 或 。由 的大小,其一些 元子集的各 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 满足如下条件:如果一个 元集的 子集被两种颜色 染色,则要么某些 子集的全体 子集染 , 要么某些 子集的全体 元集染 。则只需证 存在,对任意 。我们证明:
对 归纳。注意到由抽屉原理,;且,对任意 及 。由归纳假设, 设 与 均存在,并取任一 元集 , 如上定义。
令 为 的 元子集的一个 2-染色。固定一个点 并令 。定义 上的一个新的 元染色为
由对称性,可设找到了一个子集 ,使得 且
现在,考虑 如何作用于 。由 的大小,其必要么有一个 元子集,其 子集被染为颜色 1 (证毕)或包含一个 元集 ,其 子集被染为 0。对后者,考虑 元子集 的一个 子集 。若 ,则 为 的 子集,故 。若 ,则 。证毕。
一个最古老但最高人气的应用是
令 为正整数。则存在一个正整数 ,使得平面内任意满足三点不共线的 点集,包含 个点构成一个凸 边形。
证明: 令 。令 为题中所示的图形。对任意 ,令 为 中位于三角形 内的点数。
对点三元组,定义一个2-染色 : 若 偶, 反之为 1。由 的选择,存在一个 元子集 使得其任意 元子集得到同样的染色。则 的点构成一个凸多边形:否则存在四点 使得 位于三角形 中。由于任意三点不共线,我们有
但 作用在各三点组上为常数,矛盾!