Aritmeettinen kombinatoriikka on monitieteinen matematiikan osa-alue, joka tutkii yhteen- ja kertolaskuoperaatiolla kenttään (harvemmin renkaaseen ) muodostuneiden rakenteiden välistä suhdetta.
Lähestymistapa rakenteen käsitteeseen on tässä samanlainen kuin additiivinen kombinatoriikka ja perustuu pääasiassa summa- (tai tulo-) joukon kokoon , additiiviseen (tai multiplikatiiviseen) energiaan ja niiden erilaisiin yhdistelmiin. Kentänä pidetään yleensä reaali- tai rationaalilukuja ( , ) ja jäännöksiä modulo alkulukua ( ).
Additiivinen ja aritmeettinen kombinatoriikka ovat nuoria, aktiivisesti kehittyviä tieteitä. Niiden menetelmät ja tavat asettaa tehtäviä ovat hyvin samanlaisia, joten pääsääntöisesti additiivinen kombinatoriikka katsotaan osaksi aritmetiikkaa. [1] Tässä artikkelissa kuvataan vain aiheita, jotka sisältävät molempia kenttäoperaatioita muodossa tai toisessa tai niiden käänteismuodossa, eli jotka eivät kuulu puhtaasti additiiviseen kombinatoriikkaan (vaikka jälkimmäinen muodostaa varsin merkittävän osan aritmetiikasta).
Lisäksi tässä ei käsitellä kysymyksiä multiplikatiivisten alaryhmien ja niihin liittyvien joukkojen additiivisista kombinatorisista ominaisuuksista, koska vaikka niiden määritelmä liittyy kertomiseen, niiden kertova rakenne on jäykästi kiinteä ja tämän tieteen kombinatorinen komponentti merkitsee yhtä tai toista. yleisyys rakenneasteen suhteen (ainakin vakiona toimivan parametrin kanssa).
Aritmeettisen kombinatoriikan kehitystä motivoi suurelta osin summatulolauseen ilmaantuminen , joka puhuu joukkojen välttämättömästä kasvusta soveltamalla siihen joko kombinatorista summaa tai kertolaskua, eli yhtä kahdesta operaatiosta:
Tästä seuraa, että näiden operaatioiden yhdistäminen tuo mukanaan myös kasvun: jos , niin
,ja rajallisen määrän alkuaineita lisääminen vaikuttaa kasvuun vain marginaalisesti. Koska summatulolause on todistettu vain heikossa muodossa (kaukana hypoteesista), jotkut tiedemiehet ovat kiinnostuneet hankkimaan tämän tyyppisiä väitteitä, jotka seuraisivat todistettua vahvemmista hypoteesin muodoista ja myöhemmin yleisestä tutkimisesta. kahden operaatiokentän eri yhdistelmien tulosten välinen suhde.
Esimerkiksi Erdős-Szemeredyn summatulooletus väittää, että [2]
Tästä hypoteesista seuraa, että , mutta joukoille tällainen tulos voidaan helposti saada ilman sitä yksinkertaisella kombinatorisella päättelyllä. [3]
Tässä osiossa käytetään tavanomaista merkintää tulosten kuvaamiseen (selvitetty O-merkinnöissä ):
Olkoon rationaalinen lauseke joukkojen yli mikä tahansa aritmeettisten operaatioiden ( ) yhdistelmä niiden välillä. Toiminto tarkoittaa tässä useiden summien periaatteen mukaista sovellusta:
Esimerkiksi seuraavat joukot ovat rationaalisia lausekkeita :
Analogisesti additiivisen energian kanssa, jota käytetään usein summajoukon estimoimiseen, on kätevää tarkastella symmetrisen yhtälön ratkaisujen lukumäärää rationaalisella lausekkeella. Esimerkiksi,
[neljä]Olennainen osa aritmeettisen kombinatoriikan ongelmia voidaan ilmaista seuraavalla kysymyksen muotoilulla.
Olkoon — jokin kenttä (joko ääretön tai riittävän suuri annetusta äärellisten joukosta), — rationaalisia lausekkeita, ja ainakin yksi niistä käyttää tai ja ainakin yksi tai . Olkoon myös joillekin ja asettaa suhteet Kysymys Miten mahdollisten arvojen joukko riippuu ? Merkintä Jos kenttä on äärellinen, joukkoa kannattaa täydentää parametrilla , jossa . [5] |
Esimerkiksi summatulohypoteesi sanoo, että jos , , , niin (tässä ).
Pääsääntöisesti käy ilmi, että määrien välillä on lineaarisia suhteita , toisin sanoen erisuureiden tuotteiden ja potenssien välisiä epätasa-arvoja .
Jotkut tuloksetSummien ja tuotteiden yleistyksestä:
[6] [7] [8] ; [9] ; [kymmenen] [yksitoista]Energioiden yleistämisestä:
Ajatus eri operaatioita yhdistävien rationaalisten lausekkeiden arvioinnista tulee siitä, että additiivisen operaation soveltaminen joukkoon riistää sen multiplikatiivisen rakenteensa. Samaa periaatetta voidaan laajentaa tapaukseen, jossa joukkoa ei muuteta kompleksisella kombinatorisella elementtikohtaisen lisäyksen operaatiolla, vaan tavallisella summaussiirrolla - lisäämällä yksi luku joukon kaikkiin alkioihin. Tämän odotetaan muuttavan joukon kertovaa rakennetta useimmissa tapauksissa (esimerkiksi jos , niin joillekin kaikille tai melkein kaikille ). [neljätoista]
Kysymys Mitä tulee kiinteään (mutta mielivaltaiseen) multiplikatiivisiin ominaisuuksiin (tulojoukon koko ja kertova energia) joukot riippuvat toisistaan . Ja mitkä ovat myös joukkojen yhteiskertojaominaisuudet eri joukoille (esim. onko ei-triviaaleja estimaatteja kohdassa )? |
Ajatus yhteen- ja kertolaskujen yhdistämisestä johtaa luonnollisesti polynomien huomioimiseen , eli samoihin rationaalisiin lausekkeisiin, mutta joissa yksi muuttuja voi esiintyä useita kertoja (ja siten sillä on monimutkaisempi vaikutus tuloksena olevan joukon rakenteeseen) . Osoittautuu, että tässä tapauksessa ehdottoman kasvun varmistamiseksi ei tarvitse käyttää kolmea kopiota joukosta (kuten lausekkeessa ), vaan riittää, että valitaan haluttu polynomi kahdessa muuttujassa. [22] Bourgin huomasi ensimmäisen kerran sellaisen ominaisuuden polynomille . [23]
Myös analogisesti summatulolauseen kanssa tutkitaan mielivaltaisten polynomien alarajoja .
Jotkut tuloksetBourginin ensimmäinen tulos: jos . Sitten joillekin se on totta
[24]Kun verrataan ja , polynomin degeneraatiolla on suuri merkitys . Jos se on rappeutunut, eli edustamme sitä muodossa , missä ovat polynomit ja , niin molemmat summat voivat osoittautua pieniksi, jos on aritmeettinen progressio, koska . Siksi tulokset formuloidaan vain ei-degeneroituneille polynomeille:
Tuloksia on matriisijoukon tulojoukoista yhdestä tai toisesta matriisialaryhmästä (esimerkiksi Heisenberg -ryhmästä ). Tarkkaan ottaen nämä tulokset koskevat yksittäistä ryhmäoperaatiota ( matriisikertolaskua ), joten niitä voidaan kutsua additiiviseksi kombinatoriikaksi . Mutta yhdistäminen tämän sekä elementtien yhteen- että kertolaskuoperaation määritelmän sisällä [27] sekä tästä johtuva ei-kommutatiivisuus tekevät sen ominaisuuksista hyvin epätyypillisiä verrattuna tavallisiin ryhmäoperaatioihin, kuten reaalilukujen yhteenlasku.
Esimerkiksi joukko matriiseja voi usein kasvaa kertomalla itsensä hyvin yksinkertaisissa olosuhteissa (suuri koko, yksittäisten elementtien rajoitus tai ero alaryhmistä).
Jotkut tuloksetSuurin osa matriisiryhmiä koskevista tuloksista, kun ne koskevat mielivaltaisia matriisijoukkoja, analysoi arvon , ei . Tämä ei ole sattuma, vaan tekninen välttämättömyys, joka liittyy ei-kommutatiivisuuteen. [28]
Ryhmän ja Chevalley-ryhmien kasvun tutkimiseen analyyttisiä menetelmiä voidaan käyttää Zaremba-oletuksen erityismuodon johtamiseen . [33] [34]