Additiivinen kombinatoriikka ( englannin kielestä additio - additio) on monitieteinen [1] matematiikan alue, joka tutkii myös ryhmän osajoukon (yleensä äärellisen) rakenteellisuuden käsitteen eri kvantitatiivisten tulkintojen keskinäistä riippuvuutta. näissä tulkinnoissa käytetyn rakennejoukon johdannaisten samanlaisina ominaisuuksina. Lisäksi additiivinen kombinatoriikka tutkii joidenkin tiettyjen joukkojen tai joukkoluokkien (esimerkiksi alkulukujen tai multiplikatiivisten aliryhmien ) rakenteellisuutta eri merkityksissä.
Siten pääasiallisena tutkimuksen kohteena ovat äärelliset joukot , mahdollisimman abstrakteja, joskus vain kooltaan rajoitettuja, mikä tekee tästä tieteestä samanlaisen kuin kombinatoriikka . Toisin kuin kombinatoriikassa sinänsä, jossa joukkojen alkiot tunnistetaan vain niiden eron perusteella ja kuulumisen yhteen tai toiseen tarkasteltavaan joukkoon, additiivisessa kombinatoriikassa jokaisella joukon elementillä on selkeä merkitys ja niiden välille syntyy lisäsuhteita. , jotka johtuvat heidän arvoistaan ja ryhmän toiminnan ominaisuuksista (ja mahdollisesti tietylle ryhmälle ominaisista erityisistä laeista).
Additiivinen kombinatoriikka liittyy läheisesti aritmeettiseen kombinatoriikkaan , jossa tutkimuksen kohteena on kentän osajoukon (eikä vain ryhmän, kuten tässä) suhde kahdella operaatiolla kerralla - yhteen- ja kertolaskulla.
Matemaatikko on pohtinut muinaisista ajoista lähtien lukujen esittämistä pienten joukkojen elementtien summien kautta. Klassisia esimerkkejä ovat ongelmat minkä tahansa luvun edustatavuudesta neljän neliön summalla ( Lagrangen neljän neliön summan lause ) tai minkä tahansa parillisen luvun, joka on suurempi kuin kolme kahden alkuluvun summalla ( Goldbachin ongelma ). Jos merkitsemme ei-negatiivisten lukujen kaikkien neliöiden joukolla, niin additiivisen kombinatoriikan kannalta (katso alla oleva merkintäosa) Lagrangen lause voidaan kirjoittaa seuraavasti
Samankaltaisten ongelmien ratkaisemisen aikana syntyi muita samankaltaisia, erilaisilla sarjoilla, mutta samanlaisilla muotoiluilla. Kaikki tämä muodosti matematiikan alan nimeltä additiivinen lukuteoria .
Additiivista kombinatoriikkaa ei kuitenkaan pidä ottaa additiivisen lukuteorian yleistyksenä tai kehittämisenä - vaikka jälkimmäisen ongelmat voidaan kirjoittaa kätevästi additiivisella kombinatoriialla, sen yleiset menetelmät eivät pääsääntöisesti sovellu niihin. Lukuteoria ottaa aina huomioon erikoislajit - alkuluvut, neliöt, muut potenssit, pienet jakajamäärät sisältävät luvut jne. Additiivinen kombinatoriikka yrittää ymmärtää summauksen rakennetta sellaisenaan, saada mahdollisimman yleisiä tuloksia.
Siitä huolimatta ensimmäiset hengeltään additiivis-kombinatorisiksi luokiteltavat tulokset syntyivät 1900-luvun alussa juuri osana lukuteoriaa (kutsutaan myös kombinatoriseksi lukuteoriaksi). [1] Tällainen on esimerkiksi Shnirelmanin menetelmä Goldbachin ongelman ratkaisemiseksi (jota Linnik sovelsi myös Waring-ongelmaan ) - se perustuu Shnirelmanin lauseeseen kahdesta mielivaltaisesta joukosta , joiden tiheys on tiedossa [2] (seuraa, että Shnirelmanin mukainen tiheyden täsmällinen määritelmä, jota käytettiin tässä lauseessa, ei juurtunut additiiviseen kombinatoriikkaan tutkimuskohteena).
Ramseyn teoria, joka syntyi 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla , analysoi myös erilaisia ajatuksia rakenteellisuudesta. Ramseyn teorian väitteet koskevat ainakin pienen rakenteen "saaren" läsnäoloa melko monimutkaisissa (alkeisosien lukumäärän suhteen) objekteissa. [3]
Ramseyn teoria ei kuitenkaan ota huomioon osajoukkoja, vaan tietyn joukon osioita (esim. graafin reunojen joukko, luonnolliset luvut tai osa äärellisen joukon Boolen arvosta), ja tulos rakenteessa tarkoittaa, että yhdellä osion elementeistä on rakenne, ja yleensä ei ole selvää mikä. Siksi mistään tietystä osajoukosta ei voida sanoa mitään.
Hyvä esimerkki on van der Waerdenin lause - se sanoo, että missä tahansa luonnollisten lukujen jaossa äärelliseen määrään luokkia, ainakin yhdellä luokista on aritmeettinen progressio (millä tahansa tietyllä pituudella). Samalla on selvää, että missä tahansa osiossa on luokka , jossa lukutiheys on suurempi kuin muissa, ja intuitiivisesti näyttää siltä, että etenemisen pitäisi olla tässä joukossa - täällähän on eniten elementtejä eli eniten mahdollisuuksia. On myös selvää, että suurimmalla joukolla on positiivinen (ei-nolla) tiheys. Todistusta, että absoluuttisesti mikä tahansa positiivisen tiheyden luonnollisten lukujen joukko sisältää aritmeettisen progression, ei kuitenkaan saada pelkällä van der Waerdenin lauseella - sen mukaan eteneminen voi olla missä tahansa luokassa, jopa pienimmässä. Progression olemassaolon todistamiseksi missä tahansa tiheässä joukossa on käytettävä paljon monimutkaisempia keinoja - tämän ongelman ratkaisua kutsutaan Szemedin lauseeksi , jota pidetään vain klassisena additiivinen-kombinatorisena tuloksena.
Joustava työkalu joukon järjestyksen arvioimiseen, jolla oli myös merkittävä rooli additiivisessa lukuteoriassa, ovat trigonometriset summat ( joukon lukuja vastaavat yksikköjuurten summat). Niistä on tullut työkalu ja tutkimuskohde myös additiivisessa kombinatoriikassa, koska ne mahdollistavat melko yleisen käytön.
Jopa Gauss, joka tutki ensimmäisenä trigonometrisiä summia, löysi niiden kautta yhteyden kaikkien mahdollisten lukujen erojen jakautumisen ja joukon välillä. Tutkiessaan kvadraattisia jäämiä Gauss harkitsi summaa
ja tulosta sen moduulin neliön arvio:
Arvio tälle summalle saatiin puhtaasti kombinatorisesti muuttujan muutoksen alaisen lausekkeen ominaisuuksista . [4] Siten erojen monijoukko antoi tietoa itse neliötähteiden joukon rakenteesta. Additiivisessa kombinatoriikassa konseptiltaan samankaltainen lähestymistapa toimii, kun jo joukko, eikä tietyn joukon elementtien erojen (tai summien, tulojen jne.) joukko, antaa tietoa tämän joukon rakenteesta. Tällainen siirtyminen - monijoukosta joukkoon - liittyy siirtymiseen tietyn yhtälön ratkaisujen lukumäärästä (esimerkiksi ) numeroiden esittämiseen muodossa tai toisessa (esimerkiksi muodossa ), joka on periaatteessa ominaista trigonometristen summien menetelmälle.
Erillinen perusta uuden tieteen alkuainekohtaisista joukkojen summista (summien joukoista ) kehittämiselle oli Grigory Freimanin todistama lause pienten tuplausjoukon rakenteesta (eli joukoista, joiden kahden alkion summajoukolla on pieni koko tai yksinkertaisemmin, joiden elementtien summat ovat usein samat) . [5]
Erdős ja Szemedi käsittelivät myös tietyn joukon elementtien summia koskevia kysymyksiä ottamatta käyttöön erityistä symboliikkaa kuvaamaan joukkojen summausta. [6]
Tärkeä käsite additiivisessa kombinatoriikassa on summajoukko
äärellisille joukoille , missä on ryhmä. Tällaisen joukon koko määräytyy rakenteen ja toiminnan mukaan . Jos ja ovat aritmeettisia progressioita, se ei riitä. Ja jos esimerkiksi valitaan satunnaisesti Bernoulli-kaavion mukaan, se on erittäin suuri. Välitapaukset näiden kahden tapauksen välillä ovat nimenomaan additiivis-kombinatorisia kiinnostavia.
Lisäksi joukkojen rakenne on sinänsä mielenkiintoinen . Erityisesti vuodesta 2018 lähtien ei ole olemassa yleisiä kriteerejä (muita kuin suoraa luettelointia) sen määrittämiseksi, onko tietty joukko esitetty muodossa .
Alla olevassa taulukossa on lueteltu additiivisen kombinatoriikan lauseet ja epäyhtälöt, jotka liittyvät ryhmien osajoukkojen eri ominaisuuksiin. Solussa määritetty lauseke liittyy sen riville ja sarakkeelle määritettyihin ominaisuuksiin. Vain osa tunnetuimmista näistä teoreemoista on annettu.
Otsikoissa käytetään lyhenteitä lyhennyksen vuoksi:
Soluissa käytetään myös useita erityisiä merkintöjä:
Tiheys | OAP | Fourier-kertoimet | CRU | ||||
Tiheys | |||||||
OAP | Szemedin lause | ||||||
Shnirelmanin epäyhtälö , Furstenberg-Sharkozyn lause | Freimanin lause | ||||||
suuria ja sisältävät pitkiä a. n. [7] [8] |
Plünnecke-Rougen epätasa-arvo | ||||||
Fourier-kertoimet | Epävarmuusperiaate [9] | Jos , on pieni, sisältää a. n. pituus 3 [10] | Jos pieni, niin suuri | ||||
CRU | Rothin lause | Jos - a. p., sitten | [yksitoista] | Additiivisten energioiden suhteista voidaan tehdä johtopäätöksiä joukon rakenteesta [12] | Jos , niin |
Gowersin normi on yleistys Fourier-kertoimien käsitteestä, jonkaWilliam Gowerstodistaessaan Szémeredyn lausetta.
Freiman-isomorfismi on yhden ryhmän osajoukosta toisen ryhmän osajoukon kartoitus, joka säilyttää joukon tietyn määrän alkioiden summien yhtäläisyyden suhteen.
Reaalilukujen äärellistä joukkoa kutsutaan kuperaksi sekvenssiksi (tai konveksiksi joukoksi), jos , eli jos se on jonkin tiukasti konveksin funktion segmentin kuva . [13] Tällaisten joukkojen ominaisuuksia tutkitaan laajasti additiivisessa kombinatoriikassa. [14] [15] [16] [17] Tätä käsitettä ei pidä sekoittaa konveksiin joukkoon tavallisessa merkityksessä .
Bohrin joukko on pieni tuplausrakenne, jota joskus käytetään todisteissa heikentyneenä analogina aliavaruuden käsityksestä. [18] . Se määritellään joukoksi kenttäelementtejä, joissa kaikilla tietyn perheen lisämerkeillä on pieni arvo. Bohrin joukot sisältävät suuria yleistettyjä aritmeettisia progressioita, joten progressioiden esiintyminen joukossa todistetaan joskus välttämättömän Bohrin joukon läsnäololla siinä.
Melkein jaksollinen funktio on sellainen funktio, että normion riittävän pieni joillekinja kaikille, jossa on jokin joukko (esimerkiksi Bohrin joukko). YksiRothin lauseen. [19]
Joukon suurten trigonometristen summien joukko (jota joskus kutsutaan myös spektriksi ) on joukko jäännöksiä, joiden summalla(Fourier-kerroin) on suuri moduuli . [kaksikymmentä]
Dissosiatiivinen joukko on joukko, jonka lineaariset yhdistelmät ovat yhtä suuria kuin nolla, missä, vain silloin, kun kaikkiovat yhtä suuria kuin nolla. Tämä tarkoittaa erityisesti sitä, että kahden eri osajoukon elementtien summat ovat aina erilaisia [20] . Dissosiaatiota voidaan pitää lineaarisen riippumattomuuden analogina.
Tietysti huolimatta tehokkaiden ja monimutkaisten menetelmien olemassaolosta additiivisen kombinatoriikan lauseiden tutkimiseen, jotkut tekniikat ja tehtävät sopivat peruskuvaukseen. Cauchyn epäyhtälöstä johdetaan additiivisen energian ominaisuuksia , jotka pätevät lähes kaikkialla. Yleensä elementaarinen lähestymistapa analysoi usein tiettyjen yhtälöiden ratkaisujen lukumäärää. Keskiarvoargumenttia käytetään myös usein - esimerkiksi hajotettaessa yhtälön ratkaisujen lukumäärä yksittäisen muuttujan tietyn arvon ratkaisujen lukumäärän summalla. [21]
Elementaarisilla menetelmillä voidaan todistaa Rothin lause [22] ja Cauchy-Davenportin lause [23] .
Monilla muilla menetelmillä saaduilla todisteilla ei kuitenkaan ole alkeellisia analogeja.
Yksi ikonisimmista additiivisen kombinatoriikan kombinatorisista todisteista on ensimmäinen todistus Szemedyn lauseesta [24] - siinä Szemedy muotoili ja käytti ns. säännönmukaisuuslemmaa , joka koskee puhdasta graafiteoriaa . Graafianalogioita käytetään myös Plünnecke-Rougen epäyhtälön erikoisversioiden tai Balogh-Semeredi-Gowers-tyypin arvioiden todistamiseen [25] .
Algebralliset menetelmät additiivisessa kombinatoriikassa käyttävät polynomien ominaisuuksia, jotka rakennetaan tiettyjen joukkojen perusteella. Tällaisten polynomien asteet riippuvat pääsääntöisesti tutkittavien joukkojen koosta, ja polynomien juurijoukko voi antaa yhtä tai toista tietoa alkuperäisten joukkojen summista, leikkauspisteistä jne.
Esimerkki työkalusta sellaisen menetelmän soveltamiseen on kombinatorinen nollalause . Sillä voidaan todistaa Cauchy-Davenportin lause ja jotkin sen yleistykset . [23]
Muita algebrallisen menetelmän sovelluksia löytyy Rothin lauseen todisteista tietyille erikoismuotoisille ryhmille [26] [27] [28] tai kenttien multiplikatiivisten aliryhmien siirtymien leikkauspisteiden koon arvioinnissa ja Waringin ongelman todistamisessa. prime-kenttä (tähän käytetään erityisesti Stepanovin menetelmää ). [29]
Pääasiallinen analyyttinen työkalu additiivisessa kombinatoriikassa ovat Fourier - kertoimet . Tämä johtuu läheisestä yhteydestä Fourier - kertoimen ottamisen ja funktioiden konvoluutiooperaation välillä . Fourier-kertoimia on käytetty Rothin lauseen ensimmäisestä todistuksesta lähtien. [30] Niiden yleistys on Gowersin normi, jonka tiedettä kutsutaan myös korkeamman asteen Fourier-analyysiksi. [kaksikymmentä]
Käyttämällä esimerkkiä Fourier-kertoimista (erityisesti niiden soveltamisesta Rothin lauseen todistukseen) ns. iteratiivinen argumentti havainnollistetaan parhaiten, kun mielivaltaisen joukon tarkastelu jaetaan kahteen tapaukseen - jolloin joukolla ei ole suuria (suhteessa joukon kokoon) Fourier-kertoimet ja milloin se tekee. Ensimmäisessä tapauksessa voidaan käyttää suoraan Fourier-kertoimien ominaisuuksia, ja toisessa voidaan löytää joukon alirakenne, jolla on suurempi tiheys äärettömässä aritmeettisessa progressiossa ja niin suurella tiheydellä, että joukon alirakenne on suurempi. mahdollisia vaiheita, kunnes rajatiheys saavutetaan, rajoittaa arvo, joka riippuu alkuperäisen joukon kokonaistiheydestä. Tämä paljastaa ajatuksen jakamisesta näennäissatunnaiseen joukkoon ja joukkoon, jolla on jokin globaali rakenne. Tämä ajatus näkyy myös muissa menetelmissä. [1] [10]
Toinen analyyttinen lähestymistapa on tutkia tutkittavien joukkojen ominaisfunktioihin liittyvien funktioiden lähes jaksoittaisuutta. [31]
Ergodinen lähestymistapa sisältää dynaamisten järjestelmien teorian tulosten soveltamisen additiivisen kombinatoriikan ongelmiin . Hillel Furstenberg sovelsi tätä lähestymistapaa ensimmäisenä Szemedyn lauseeseen [32] , mutta pian kävi ilmi, että se voidaan yleistää paljon laajempaan joukkoon ongelmia.
Dynaamisten järjestelmien teoria mahdollistaa usein sellaisten tulosten todistamisen, joita ei voida muotoilla uudelleen muilla menetelmillä, mutta se ei pysty antamaan kvantitatiivisia arvioita (esim. joukon tiheyden estimaatteja Szemedyn lauseessa). [33]
Joillakin muilla aloilla on sovelluksia kyseiseen tieteeseen: