Кіріспе

Үшбұрыштық графтардың түстелуі туралы теорема. Экстремалды жиын теориясындағы теорема. Математикада Спернер леммасы – Брауердің тұрақты нүкте теоремасына ұқсас, үшбұрыштылықтың түстеуіне қатысты комбинаторлық нәтиже. Ол, өлшемді симплекстің үшбұрыштығының кез келген Спернер түстеуі (төменде сипатталған) барлық төбелері әртүрлі түстерге ие ұяшықты қамтиды. Осы сияқты алғашқы нәтижені Эммануэль Спернер доменнің инварианттылығын дәлелдеумен байланысты көрсеткен. Спернер түстеулері тұрақты нүктелерді тиімді есептеуде және түбір табу алгоритмдерінде қолданылады, сондай-ақ әділ бөлу (торт кесу) алгоритмдерінде де пайдаланылады. "Совет математикалық энциклопедиясы" (ред. И. М. Виноградов) бойынша, 1929 жылғы Кнастер, Борсук және Мазуркевичтің теоремасы да Спернер леммасы ретінде белгілі болған – бұл мәселе ағылшын тіліне аудармасында (ред. М. Хазевинкель) талқыланады. Қазір бұл Кнастер–Куратовский–Мазуркевич леммасы деп белгілі.

Бір өлшемді корпус

Бір өлшемде Спернер леммасын аралық мән теоремасының дискретті түрі деп қарастыруға болады. Бұл жағдайда, егер дискретті функция тек 0 және 1 мәндерін қабылдаса, 0 мәнімен басталып, 1 мәнімен аяқталса, онда ол мәндерді тақ рет ауыстыруы тиіс.

Дәлел

Алдымен екі өлшемді жағдайды қарастырайық. Т үшбұрышталмасынан құрылған G графигін қарастырайық: G графигінің төбелері – Т үшбұрышталмасының мүшелері және үшбұрыштан тыс жердегі аумақ. Екі төбе шеттермен байланысқан, егер олардың сәйкес келетін аумақтары ортақ шекарамен шектесетін болса, сонда бір төбе 1 түспен, ал екіншісі 2 түспен боялған. АВ аралығында 1, 2 түстес шекаралардың тақ саны бар екеніне назар аударыңыз (өйткені А 1 түспен, ал В 2 түспен боялған; және АВ бойымен жылғанда, басы мен соңында әртүрлі түстер алу үшін түстердің тақ саны ауысуы керек). Сондықтан, G графигінде сыртқы аумаққа сәйкес келетін төбе тақ дәрежеге ие. Бірақ белгілі (қол тілесу леммасы) шекті графикте тақ дәрежелі төбелердің саны жұп болуы керек. Демек, сыртқы аумақты есепке алмайтын қалған графикте Т үшбұрышталмасының мүшелеріне сәйкес келетін тақ дәрежелі төбелердің тақ саны бар. Оңай көруге болады, Т үшбұрышталмасынан алынған үшбұрыштың дәрежесі тек 0, 1 немесе 2 болуы мүмкін, және 1 дәрежелі үшбұрыш 1, 2 және 3 түстерімен боялған. Осылайша, біз сәл күштірек қорытындыға келдік, ол Т үшбұрышталмасында толық боялған үшбұрыштардың саны тақ (немесе кемінде біреуі) екенін көрсетеді. Көп өлшемді жағдайды симплекстің өлшемі бойынша индукция арқылы дәлелдеуге болады. Екі өлшемді жағдайдағыдай, дәл сол логиканы қолданып, n өлшемді үшбұрышталмада толық боялған симплекстердің саны тақ екеніне келеміз.

Комментарийлер

Мұнда граф теориясына жаңадан келген оқырман үшін бұрынғы дәлелдеменің толық түсіндірмесі келтірілген. Бұл схемада бұрын берілген мысалдың төбелерінің түстері нөмірленген. Төбелерінің саны әртүрлі кіші үшбұрыштар графте көлеңкеленген. Әрбір кіші үшбұрыш үшбұрыштаудан туындаған жаңа графтың түйініне айналады. Кіші әріптер аймақтарды белгілейді, сегіз – фигураның ішінде, ал i аймағы оның сыртындағы кеңістікті көрсетеді. Бұрын сипатталғандай, 1 және 2 нөмірленген қабырғалары бар түйіндер туындаған графта біріктіріледі. Мысалы, d түйіні i сыртқы аймақпен қабырға бөліседі және оның төбелерінің саны әртүрлі болғандықтан, ол да көлеңкеленген. b түйіні көлеңкеленбеген, өйткені екі төбесінің саны бірдей, бірақ ол сыртқы аймаққа қосылған. Мысалы, a түйінінің 1 мен 1 арасындағы қабырғасына 3 нөмірлі түйін енгізіп, сол түйінды a-ның екінші ұшымен қосу арқылы жаңа толық нөмірленген үшбұрыш қосуға болады. Мұндай жағдайда f және g түйіндері сияқты жаңа түйіндер жұбы құрылуы керек.

Спернер симплексін есептеу

Көлденең ұзындығы N болатын d өлшемді симплекс бар деп есептейік, және ол 1 қабырғалы кіші симплекстерге бөлінеді. Бір функция кез келген үшбұрыштылау төбесінің түсін қайтарады. Түсіргіштің Спернердің шекаралық шартын сақтауы кепілдендірілген. Қанша рет функцияны шақыру керек, чтобы "көлікті" симплекс табуға? Әрине, біз барлық үшбұрыштылау төбелерін қарастыра аламыз, олардың саны O(Nd) – өлшемділік белгілі болғанда N-ге қатысты көпмүшелік. Бірақ, мұны N-нің екілік өрнегіне қатысты көпмүшелік уақытта, яғни O(poly(log N)) уақытында істеуге болады ма? Бұл мәселені алғаш Христос Пападимитриу зерттеді. Ол PPAD деп аталатын күрделілік класын енгізді, оған осы және осыған ұқсас мәселелер кіреді (мысалы, Брауэрдің бекітілген нүктесін табу). Ол Спернер симплексін табу d=3 үшін де PPAD-толық екенін дәлелдеді. 15 жылдан кейін Чен мен Денг PPAD-толықтығын d=2 үшін де дәлелдеді. PPAD-қиын мәселелерін O(poly(log N)) уақытында шешуге болмайды деп есептеледі.

Таңбалардың кіші топтары

Үшбұрыштың әрбір төбесі бірнеше түспен белгіленуі мүмкін делік, сондықтан бояу функциясы әрбір кіші-симплекс үшін оның төбелеріндегі белгілер жиыны [n + 1] түстер жиынынан алынған жиын болады. Бұл жиын отбасын гиперграф ретінде қарастыруға болады. Егер симплекстің жағындағы әрбір v төбесі үшін f(v)-дегі түстер, жақ қабырғаларындағы түстер жиынының ішкі жиыны болса, онда толық бөлшек сәйкестікті қабылдайтын гиперграфпен суб-симплекс бар – яғни, сәйкес гиперграфта толық бөлшек сәйкестік болатын белгілеу. Мысал үшін, 1=n = 2 болғандағы теңгерілген белгілеу мысалдары:

({1}, {2}, {3}) (1, 1, 1) салмақтарымен теңгерілген. ({1,2}, {2,3}, {3,1}) (1/2, 1/2, 1/2) салмақтарымен теңгерілген. ({1,2}, {2,3}, {1}) (0, 1, 1) салмақтарымен теңгерілген. Бұл 1973 жылы Шапли тарапынан дәлелденген. Бұл KKMS леммасының комбинаторлық аналогы болып табылады.

Политопальды нұсқалар

Бізде n төбесі бар d өлшемді политоп P бар деп есептейік. P триангуляцияланған, ал триангуляцияның әрбір төбесі {1, …, n} жиынынан белгіленеді. Кез келген басты төбе i, i деп белгіленеді. Егер субсимплекс d өлшемді болса және оның d + 1 төбесінің әрқайсысы әртүрлі белгіге ие болса, онда ол толық белгіленген деп аталады. Егер P-нің F жағындағы әрбір төбе F-тің соңғы төбелеріндегі бір белгімен белгіленген болса, онда кем дегенде n – d толық белгіленген симплекстер бар. Кейбір ерекше жағдайлар: 1=d = n – 1. Бұл жағдайда P – симплекс. Политоптық Спернер леммасы кем дегенде 1 толық белгіленген симплекстің бар екендігіне кепілдік береді. Яғни, ол Спернер леммасына дейін тоғысып келеді. 1=d = 2. n төбесі бар екі өлшемді көпбұрыш триангуляцияланып, 1, …, n белгілерін пайдалана отырып, i және i + 1 (mod n) төбелері арасындағы әрбір жағында тек i және i + 1 белгілері қолданылады деп есептейік. Содан кейін кем дегенде n – 2 субүшбұрыш бар, онда үш түрлі белгі қолданылады. Атанасов бұл тұжырымды 1996 жылы 1=d = 2 жағдайында дәлелдеді. Жалпы жағдайдың дәлелін алғаш рет 2002 жылы де Лоера, Петерсон және Су ұсынды. Олар екі дәлел келтіреді: біріншісі конструкциялық емес және қиыршық тастар жиынтығының түсінігін пайдаланады; екіншісі конструкциялық және графтердегі жолдарды іздеу аргументтеріне негізделген. Мюнье теореманы политоптардан политоптық денелерге дейін кеңейтті, олар дөңес немесе жай ғана байланысты болуы міндетті емес. Атап айтқанда, егер P политоп болса, онда оның жақтарының жиынтығы политоптық дене болып табылады. Төбелері бар политоптық дененің кез келген Спернер белгілеуінде кем дегенде: толық белгіленген симплекстер бар, сондықтан осы симплекстердің кез келген жұбы екі түрлі белгілеуді алады. Дәреже – B(P)-нің оған тиесілі жиектерінің саны. Дәреженің кем дегенде d болғаны үшін төменгі шек кем дегенде n – d. Бірақ ол одан үлкен болуы мүмкін. Мысалы, n төбесі бар 4 өлшемдегі циклдік политоп үшін төменгі шек мынадай: Мусин теореманы d өлшемді бөлікті сызықтық көптүрліліктерге, шекарасы бар немесе жоқ, кеңейтті. Асада, Фрик, Пишароди, Полеви, Стонер, Цанг және Веллнер теореманы шекарасы бар псевдо-көптүрлілікке дейін кеңейтті және жұппен ерекшеленетін белгілері бар жақтардың санына төменгі шекараны жақсартты.

Кубтық нұсқалар

Егер симплекс кіші симплекстерге бөлінбей, n өлшемді куб кіші n өлшемді кубтарға бөлінсе, Гарольд В. Кун келесі лемманы дәлелдеді. Кубтың бірлік кубтарға бөлінгенін елестетіңіз. Бөліністің әр төбесіне {1, …, n + 1} жиынынан белгі қойылады, сондықтан әр v төбесі үшін: (1) егер v төбесіндегі белгі i-ден аспаса; (2) егер v төбесіндегі белгі i болмаса. Онда барлық {1, …, n + 1} белгілері бар бірлік куб бар (кейбіреулері бірнеше рет қайталанады). 1=n = 2 ерекше жағдайы: егер квадрат кіші квадраттарға бөлінген болса, әр төбесіне {1,2,3} жиынынан белгі қойылады. Сол жақ қабырғасына 1 (= ең көп дегенде 1) белгісі қойылады; төменгі қабырғасына 1 немесе 2 (= ең көп дегенде 2) белгісі қойылады; жоғарғы қабырғасына 1 немесе 3 (= 2 емес) белгісі қойылады; және оң жақ қабырғасына 2 немесе 3 (= 1 емес) белгісі қойылады. Онда 1,2,3 белгіленген квадрат бар. Поанкаре-Миранда теоремасымен байланысты тағы бір нұсқасы мынадай. Кубтың бірлік кубтарға бөлінгенін қарастырайық. Әр төбеге n ұзындығы бар екілік вектормен белгі қойылады, сондықтан әр v төбесі үшін: (1) егер v төбесіндегі белгінің i координатасы 0 болса; (2) егер v төбесіндегі белгінің i координатасы 1 болса; (3) егер екі төбе жанындас болса, олардың белгілері ең көп дегенде бір координатада өзгеше болады. Онда барлық белгілері әртүрлі бірлік куб бар. Екі өлшемде, осы теореманы былай тұжырымдауға болады: толық белгіленген кубтардың саны тақ екенін дәлелдеу арқылы осы екі нәтижені күшейту. Мусин бұл нәтижелерді жалпы төртбұрыштарға дейін кеңейтті.

Ағаштар мен циклдер

Сол сияқты, шекті және шексіз ағаштар мен циклдар туралы да лемма бар.

Байланысты нәтижелер

Мирзахани мен Вондрак Sperner таңбалауының әлсіз түрін зерттейді, ондағы жалғыз талап – i таңбасы i төбесіне қарама-қарсы жаққа қолданылмауы керек. Олар мұны Sperner-ге қабылданған таңбалау деп атайды. Олар әрбір ұяшықта ең көп 4 таңба болатын Sperner-ге қабылданған таңбалаулар бар екенін көрсетеді. Сондай-ақ, олар әрбір Sperner-ге қабылданған таңбалауда кем дегенде екі түрлі таңбасы бар ұяшықтардың санының ең төменгі шегін дәлелдейді. Олар, сонымен қатар, кез келген Sperner-ге қабылданған тұрақты симплекстің бөлінісі үшін бөліктер арасындағы шекараның жалпы ауданы Вороной бөлінісі арқылы ең аз болады екенін дәлелдейді.

Қолданбалар

Спернер бояуы тұрақты нүктелерді тиімді есептеу үшін қолданылған. Спернерлік бояуды толық белгіленген симплекстер берілген функцияның тұрақты нүктелеріне сәйкес келетіндей етіп құрастыруға болады. Триангуляцияны кішірейте келе, толық белгіленген симплекстердің лиміті дәл сол тұрақты нүкте екенін көрсетуге болады. Осылайша, бұл техника тұрақты нүктелерді жуықтауға мүмкіндік береді. Бұған байланысты қолданыс – периодты орбиталарды және символдық динамиканы сандық түрде анықтау. Спернер леммасын түбір табу алгоритмдері мен әділ бөлу алгоритмдерінде де қолдануға болады; Simmons–Su протоколдарына қараңыз. Спернер леммасы Монски теоремасының дәлелінің маңызды бөлігі болып табылады, яғни квадратты тең ауданы бар тақ санға үшбұрыштарға бөлу мүмкін емес. Спернер леммасын айырбас экономикасында бәсекелестік тепе-теңдікті табу үшін де пайдалануға болады, бірақ оны табудың тиімді жолдары да бар. Оны алғаш жариялағаннан кейін елу жыл өткен соң, Спернер өзінің комбинаторлық леммасының дамуы, ықпалы және қолданылуы туралы шолу жасады.