Кіріспе
Екі нүкте арқылы өтетін түзудің болуы Геометриядағы Сильвестр-Галлай теоремасы Евклид жазықтығындағы нүктелердің кез келген шекті жиынында дәл екі нүкте арқылы өтетін түзу немесе барлық нүктелер арқылы өтетін түзу болады деп мәлімдейді. Ол 1893 жылы осы мәселені қойған Джеймс Джозеф Сильвестр және 1944 жылы осы теореманың алғашқы дәлелдерінің бірін жариялаған Тибор Галлайдың есімімен аталады. Дәл екі нүктені қамтитын түзуді қалыпты түзу деп атайды. Теореманы айтудың тағы бір жолы – бір түзуде жатпайтын нүктелердің кез келген шекті жиынында қалыпты түзу болады. Теореманың күшейтілген түріне сәйкес, барлық нүктелер бір түзуде жатпаса, кез келген шекті нүктелер жиынында кем дегенде сызықтық санында қалыпты түзулер болады. Алгоритм нүктелер жиынындағы қалыпты түзуді уақыттың ішінде таба алады.
The Sylvester–Gallai theorem in geometry states that every finite set of points in the Euclidean plane has a line that passes through exactly two of the points or a line that passes through all of them. It is named after James Joseph Sylvester, who posed it as a problem in 1893, and Tibor Gallai, who published one of the first proofs of this theorem in 1944. A line that contains exactly two of a set of points is known as an ordinary line. Another way of stating the theorem is that every finite set of points that is not collinear has an ordinary line. According to a strengthening of the theorem, every finite point set (not all on one line) has at least a linear number of ordinary lines. An algorithm can find an ordinary line in a set of points in time .
Тарих
Сильвестр–Галай теоремасы Сильвестрдің алгебралық геометриядағы ұқсас құбылысқа байланысты болуы мүмкін екенін көрсетеді, онда күрделі проекциялық жазықтықтағы кубикалық қисықтың иілу нүктелері тоғыз нүкте мен он екі түзудің конфигурациясын құрайды (Гессен конфигурациясы), мұнда екі нүктемен анықталатын әрбір түзу үшінші нүктені қамтиды. Сильвестр–Галай теоремасы осы тоғыз нүктенің барлығының нақты координаталары болуы мүмкін емес екенін көрсетеді. ғалым теореманың қысқа дәлеліне ие екенін мәлімдеді, бірақ ол жарияланған кезде толық емес екендігі анықталды. ғалым теореманы (және тіпті сәл күштірек нәтижені) эквивалентті түрінде, оның проективті қос түрінде дәлелдеді. Мельхиордың дәлелінен хабарсыз, ғалым болжамды қайтадан айтты, кейін Тибор Галай және одан кейін басқа авторлар дәлелдеді. 1951 жылғы шолуда Эрдёш бұл нәтижені «Галай теоремасы» деп атады, бірақ 1954 жылғы Леонард Блюменталдың шолуында ол Сильвестр–Галай теоремасы деп аталды. Бұл Сильвестр есімімен аталған көптеген математикалық тақырыптардың бірі.
Теңдес нұсқалар
Евклидтік жазықтықтың орнына RP2 нақты проекциялық жазықтықтағы нүктелер үшін де қарапайым түзудің болуы туралы сұрақ туындайды. Проекциялық жазықтықты Евклидтік жазықтыққа "шексіздікте" қосымша нүктелерді қосу арқылы құруға болады, мұнда Евклидтік жазықтықта параллель түзулер қиылысады, сондай-ақ барлық қосылған нүктелерді қамтитын бір "шексіздікте" түзуін қосу арқылы. Дегенмен, проекциялық жазықтықтың қосымша нүктелері қарапайым түзуі жоқ Евклидтік емес шекті нүктелер жиынын жасауға көмектесе алмайды, себебі проекциялық жазықтықтағы кез келген шекті нүктелер жиынын нүктелер мен түзулердің бірдей комбинаторлық қатынастары бар Евклидтік нүктелер жиынына түрлендіруге болады. Сондықтан, осы екі типті жазықтықтың бірінде кездесетін шекті сандағы қиылысатын нүктелер мен түзулердің кез келген үлгісі екіншісінде де кездеседі. Бірақ, проекциялық көзқарас кейбір конфигурацияларды оңайрақ сипаттауға мүмкіндік береді. Атап айтқанда, проекциялық дуалдықты қолдануға болады, онда проекциялық геометрияның тұжырымдамаларындағы нүктелер мен түзулердің рөлдерін бір-бірімен ауыстыруға болады. Проекциялық дуалдықта RP2-дегі бір түзуде жатпайтын нүктелер жиыны үшін қарапайым түзудің болуы, шекті көп түзудің тривиальды емес орналасуындағы қарапайым нүктенің болуымен тең. Орналасу тривиальды деп аталады, егер оның барлық түзулері бір нүктеден өтетін болса, әйтпесе тривиальды емес болады; ал қарапайым нүкте – дәл екі түзуде жатқан нүкте. Түзулердің орналасуы комбинаторлық құрылымға ие, ол генераторлар деп аталатын түзу кесінділерінің шекті жиынының Минковский қосындысы арқылы құрылған зonoэдрмен тығыз байланысты. Осыған байланысты, зonoэдрдың қарама-қарсы жақтарының әрбір жұбы проекциялық жазықтықтағы түзулер орналасуының қиылысу нүктесіне сәйкес келеді, әр генератор үшін бір түзуден. Жақтың қабырғаларының саны орналасуда қиылысатын түзулер санынан екі есе көп. Мысалы, көрсетілген созылған додекаэдр бес генераторы бар зonoэдр, екі жұп қарама-қарсы алтыбұрышты жақтары және төрт жұп қарама-қарсы параллелограмм жақтары бар. Сәйкес бес түзулік орналасуда екі үш түзудің қиылысуы (қарама-қарсы алтыбұрыштардың екі жұбына сәйкес) және қалған төрт түзу жұбы қарапайым нүктелерде қиылысады (қарама-қарсы параллелограммдардың төрт жұбына сәйкес). Сильвестр-Галлай теоремасының зonoэдр тұрғысынан эквивалентті тұжырымы – әрбір зonoэдрда кем дегенде бір параллелограмм жағы бар (параллелограммның арнайы жағдайлары ретінде тіктөртбұрыштар, ромбтар және шаршыларды есепке ала отырып). Көбірек айтқанда, егер жазықтықтағы нүктелер жиынында кем дегенде қарапайым түзулер болуы кепілденсе, онда генераторлары бар зonoэдрларда кем дегенде параллелограмм жақтары болуы кепілденеді.
Дәлелдендіру
Сильвестр-Галлай теоремасы көптеген әртүрлі тәсілдермен дәлелденген. Галлайдың 1944 жылғы дәлелі, нүктелерді нөлге ең жақын еңіске ие қарапайым түзуді табуға мүмкіндік беретін эквивалентті конфигурацияға түрлендіру үшін Евклидтік және проективтік геометрия арасында ауысып отырады; толық мәліметтер үшін 1941 жылғы Мельхиордың дәлеліне қараңыз. Ол, мәселені түзулердің орналасуы туралы эквивалентті сұраққа түрлендіру үшін проективтік дуалдықты қолданады, оған Эйлердің полиэдр формуласын қолдану арқылы жауап беруге болады. Лерой Милтон Келлидің тағы бір дәлелі, қарама-қайшылық арқылы, басқа нүктеге ең кіші нөлдік емес қашықтықтағы түзу қарапайым болуы керек екенін көрсетеді. Штайнбергтің бұрынғы дәлеліне ұсқасып, Х. С. М. Коксетер Галлай мен Келлидің дәлелдерінде қолданылған еңіс және қашықтық сияқты метрикалық ұғымдардың артық күшті екенін көрсетті, оның орнына теореманы реттелген геометрияның аксиомаларын ғана қолдана отырып дәлелдеді.
Келлидің дәлелі
Бұл дәлел Лерой Милтон Келлиге тиесілі. Оны осы теореманың көптеген дәлелдерінің ішінде "жай ғана ең жақсысы" деп атаңыз. Нүктелердің шекті жиыны бәрі бір түзудің бойында жатпайды деп есептейік. Қосылатын түзу – жиынтықтағы кем дегенде екі нүктені қамтитын түзу деп анықтаймыз. Шектілік қағидасы бойынша, бір нүкте және бір қосылатын түзу арасында оң қашықтық болуы керек, бірақ ол басқа барлық нүкте-түзу жұптарынан жақын болуы керек. Келли бұл нүктенің қалыпты екенін қайшылық арқылы дәлелдеді. Егер бұл нүкте қалыпты болмаса, онда ол кем дегенде үш нүкте арқылы өтеді. Олардың кем дегенде екеуі нүктенің перпендикуляр проекциясына қарағанда бір жағында орналасқан. Оларды және деп атайық, мұнда нүктенің өзіне ең жақын (немесе оған сәйкес келуі мүмкін). Енді нүктелері арқылы өтетін қосылатын түзуді және нүктесінен осы түзуге түсірілген перпендикулярды саламыз. Онда бұл қашықтықтан қысқа болады. Бұл нүктелері ұқсас үшбұрыштар құрады, олардың бірі екіншісінің ішінде орналасқандығынан туындайды. Алайда, бұл нүктенің және түзудің ең кіші оң қашықтықты құрайтын жұп ретіндегі бастапқы анықтамасына қайшы келеді. Демек, бұл нүктенің қалыпты болмайды деген болжам дұрыс емес, дәлелделді.
Мелхиордың дәлелі
1941 жылы (яғни, Эрдос сұрақты жариялағанға дейін және Галайдың одан кейінгі дәлелінен бұрын) Мельхиор проективті жазықтықтағы түзулердің кез келген тривиальды емес шекті орналасуының кем дегенде үш қарапайым нүктесі бар екенін көрсетті. Дуальдік принципі бойынша, бұл нәтиже сонымен қатар жазықтықтағы кез келген шекті тривиальды емес нүктелер жиынында кем дегенде үш қарапайым түзу бар екенін айтады. Мельхиор нақты проективті жазықтықта орналасқан кез келген граф үшін формула проективті жазықтықтың Эйлер сипаттамасына тең болуы керектігін байқады. Мұнда , , және - графтың төбелерінің, қабырғаларының және жақтарының саны. Проективті жазықтықтағы кез келген тривиальды емес түзулер орналасуы әрбір жақ кем дегенде үш қабырғамен шектелген және әрбір қабырға екі жақты шектейтін графты анықтайды; сондықтан екі рет санау арқылы қосымша теңсіздік алынады. Бұл теңсіздікті Эйлер сипаттамасынан шығарып тастау теңсіздікке әкеледі. Бірақ егер орналасудағы әрбір төбе үш немесе одан да көп түзудің қиылысу нүктесі болса, онда қабырғалардың жалпы саны кем дегенде , бұл теңсіздікке қайшы келеді. Сондықтан кейбір төбелер тек екі түзудің қиылысу нүктесі болуы керек, және Мельхиордың мұқият талдауы көрсеткендей, теңсіздікті қанағаттандыру үшін кем дегенде үш қарапайым төбе қажет.
Сонымен қатар, 1944 жылы Норман Стенрод та дәл осы аргументті қарапайым төбелердің болуы үшін келтірді, оны дуальді қарапайым түзулер мәселесіне қатысты қолданды.
As note, the same argument for the existence of an ordinary vertex was also given in 1944 by Norman Steenrod, who explicitly applied it to the dual ordinary line problem.
Аксиоматика
Келлидің Евклидтік қашықтықты қолдануының қажетсіз күшті екенін дәлелдеу туралы жазады: "Бұл бадамды жару үшін балға қолдану сияқты". Оның орнына Коксетер Сильвестр-Галлай теоремасын реттелген геометрия шеңберінде дәлелдеді, бұл геометрияны аралық қатынастар тұрғысынан аксиомалық тұрғыдан қарастырады және тек Евклид геометриясын ғана емес, сонымен қатар басқа да байланысты геометрияларды қамтиды. Коксетердің дәлелі – Штейнбергтің 1944 жылы берген алдыңғы дәлелінің өзгеруі. Теореманы дәлелдеуге қажетті аксиомалардың ең кішкентай жиынтығын табу мәселесі кері математика саласына жатады; осы мәселені зерттеу үшін қараңыз. Сильвестр-Галлай теоремасының стандартты тұжырымы конструктивті талдауда қолданылмайды, себебі ол барлық білімнің шектеулі принципін білдіреді, бұл конструктивті математика аксиомасы ретінде қабылданбайтын, шеттестірілген үшінші заңның әлсіретілген түрі. Дегенмен, Сильвестр-Галлай теоремасының конструктивті талдау аксиомалары шеңберінде жарамды нұсқасын формулирлеу және Келлидің теорема дәлелін осы аксиомаларға сәйкес жарамды дәлелге бейімдеу мүмкін.
Кәдімгі жолдардың саны
Сильвестр-Галлай теоремасы бойынша түзудің бойында жатпайтын нүктелер жиыны міндетті түрде бір қарапайым түзуді анықтауы керек, бірақ олардың саны қанша болуы керектігі көрсетілмеген. - түзу емес нүктелердің кез келген жиыны үшін анықталатын қарапайым түзулердің ең аз саны. Мелхиордың дәлелі шексіздікке жақындау туралы сұрақ тудырды, ал оны барлық мәндері үшін болжамның дұрыстығын растады, бұл 2013 жылға дейін сақталған болжам. Бұл көбінесе Дирак-Моцкин болжамы деп аталады; мысалы, дәлелдегендей, жұп болған жағдайда да, олар тек бір-бірінен ерекшеленетін бағыттарды анықтайды. Бұл орналасуда тек қарапайым түзулер бар, яғни нүктесін шексіздіктегі нүктесімен қосатын және нүктесінің екі көршілес нүктесімен бір түзуде жататын түзулер. Нақты проективті жазықтықтағы кез келген шекті конфигурация сияқты, бұл құрылымды қарапайым түзулердің санын өзгертпей, барлық нүктелер шекті болатындай өзгертуге болады. екі тұрақты бесбұрыштың жиегімен біріктірілген, ортақ жиегінің ортасы және проективті жазықтықтағы шексіз түзудегі төрт нүктеден тұрады; бұл 13 нүкте арасында 6 қарапайым түзу бар. Böröczky құрылымының модификациялары қарапайым түзулердің санымен жұп емес нүктелер жиынына әкеледі. жеті болған жағдайды қоспағанда, бұл формула дәлелденген жоғарғы шекараға жақын. Бұл жағдай ерекше, өйткені әйтпесе Келли-Мозер құрылымы қарсы мысал болар еді; олардың құрылымы көрсеткендей, егер Цсима-Сауэр шекарасы болса, Бек теоремасымен тығыз байланысты нәтиже - аздаған нүктелері бар түзулердің саны мен бір түзудегі нүктелердің саны арасындағы компромисс. Бен Грин және Теренс Тао барлық жеткілікті үлкен нүктелер жиыны үшін (яғни, -ның қолайлы таңдауы үшін) қарапайым түзулердің саны кемінде екенін көрсетті, сонымен қатар, тақ болса, қарапайым түзулердің саны кемінде болады, мұндағы - тұрақты сан. Осылайша, Böröczky-дің жұп және тақ (жоғарыда талқыланған) құрылымдары ең жақсы мүмкін. Қарапайым түзулердің санын азайту үш нүктелі түзулердің санын барынша арттыру мәселесімен тығыз байланысты, оны Грин және Тао барлық жеткілікті үлкен нүктелер жиыны үшін де шешті. Екі жағдайда, қарапайым нүктелерді іздегенде, псевдотүзулердің орналасуындағы қарапайым нүктелердің ең аз санын қарастыруға болады. Бұл жағдайда Цсима-Сауэрдің төменгі шекарасы әлі де жарамды, бірақ Грин және Тао асимптотикалық шекарасы сақталады ма, жоқ па, белгісіз.
Dirac's conjectured lower bound is asymptotically the best possible, as the even numbers greater than four have a matching upper bound The construction, due to Károly Böröczky, that achieves this bound consists of the vertices of a regular gon in the real projective plane and another points (thus, ) on the line at infinity corresponding to each of the directions determined by pairs of vertices. Although there are pairs of these points, they determine only distinct directions. This arrangement has only ordinary lines, the lines that connect a vertex with the point at infinity collinear with the two neighbors of As with any finite configuration in the real projective plane, this construction can be perturbed so that all points are finite, without changing the number of ordinary lines. consists of two regular pentagons joined edge to edge together with the midpoint of the shared edge and four points on the line at infinity in the projective plane; these 13 points have among them 6 ordinary lines. Modifications of Böröczky's construction lead to sets of odd numbers of points with ordinary lines. proved that except when is seven. Asymptotically, this formula is already of the proven upper bound. The case is an exception because otherwise the Kelly–Moser construction would be a counterexample; their construction shows that However, were the Csima–Sawyer bound valid for , it would claim that
A closely related result is Beck's theorem, stating a tradeoff between the number of lines with few points and the number of points on a single line. Ben Green and Terence Tao showed that for all sufficiently large point sets (that is, for some suitable choice of ), the number of ordinary lines is indeed at least Furthermore, when is odd, the number of ordinary lines is at least , for some constant Thus, the constructions of Böröczky for even and odd (discussed above) are best possible. Minimizing the number of ordinary lines is closely related to the orchard planting problem of maximizing the number of three point lines, which Green and Tao also solved for all sufficiently large point sets. In the dual setting, where one is looking for ordinary points, one can consider the minimum number of ordinary points in an arrangement of pseudolines. In this context, the Csima Sawyer lower bound is still valid, though it is not known whether the Green and Tao asymptotic bound still holds.
Қосылатын желілердің саны
Пауль Эрдостың айтуынша, Сильвестр-Галлай теоремасы бірден коллинеар емес нүктелердің кез келген жиыны кем дегенде әртүрлі түзулерді анықтайды екенін көрсетеді. Бұл нәтиже Де Брюйн-Эрдёс теоремасы деп аталады. Базалық жағдай ретінде, нәтижесі үшін бұл анық түрде дұрыс. -тің кез келген үлкен мәні үшін, нәтижені нүктеден нүктеге дейін азайтуға болады, бір қарапайым түзуді және оған жататын екі нүктенің біреуін жою арқылы (қалған жиын бір түзуде жатпауы үшін нүктені жоюға сақ болу керек). Осылайша, математикалық индукция арқылы бұл дәлелденеді. "Қарындашқа жақын" мысалы, яғни бір түзуде орналасқан нүктелер жиынына басқа нүктелермен бір түзуде жатпайтын қосымша нүкте қосылған жағдай, бұл шектеудің дұрыс екенін көрсетеді.
Нақты емес координаттар
Евклид жазықтығы немесе проекциялық жазықтықты олардың нүктелерінің координаттары үшін нақты сандарды пайдалану арқылы анықтауға болады (Евклид жазықтығы үшін картезиандық координаттар және проекциялық жазықтығы үшін біртекті координаттар), ал нүктелер мен түзулердің ұқсас абстрактілік жүйелерін басқа сандық жүйелерді координаттар ретінде пайдалану арқылы анықтауға болады. Сильвестр-Галли теоремасы осылай анықталған шекті өрістердегі геометриялар үшін қолданылмайды: осылай анықталған кейбір шекті геометриялар үшін, мысалы, Фано жазықтығы, геометриядағы барлық нүктелер жиынтығында қалыпты түзулер жоқ. Сильвестр-Галли теоремасы да нүктелері күрделі сандар немесе кватерниондар жұптары болатын геометрияларға тікелей қолданылмайды, бірақ бұл геометриялар теореманың күрделірек аналогтарына ие. Мысалы, күрделі проекциялық жазықтықта тоғыз нүктеден тұратын Гессен конфигурациясы (кубтық қисықтың икемделу нүктелері) бар, онда әрбір түзу қалыпты емес, бұл Сильвестр-Галли теоремасын бұзады. Мұндай конфигурация Сильвестр-Галли конфигурациясы деп аталады және оны Евклид жазықтығының нүктелері мен түзулері арқылы іске асыруға болмайды. Сильвестр-Галли теоремасын айтудың тағы бір жолы – егер Сильвестр-Галли конфигурациясының нүктелері Евклид кеңістігіне коллинеарлықты сақтап енгізілсе, онда барлық нүктелер бір түзуде болуы керек, ал Гессен конфигурациясының мысалы бұл күрделі проективті жазықтық үшін жалған екенін көрсетеді. Алайда, Сильвестр-Галли теоремасының күрделі санға арналған аналогы дәлелденді: егер Сильвестр-Галли конфигурациясының нүктелері күрделі проективті кеңістікке енгізілсе, онда барлық нүктелер екі өлшемді ішкі кеңістікте болуы керек. Балама ретінде, үш өлшемді кешенді кеңістіктегі нүктелер жиынтығы, егер оның аффинді қабығы бүкіл кеңістікті құраса, онда оның қалыпты түзуі болуы керек, тіпті оның қалыпты түзулерінің саны сызықтық болуы керек. Сол сияқты, егер Сильвестр-Галли конфигурациясы кватерниондарда анықталған кеңістікке енгізілсе, онда оның нүктелері үш өлшемді ішкі кеңістікте болуы керек.
Матроидтар
Евклид жазықтығындағы нүктелердің кез келген жиынтығы және оларды қосатын түзулер 3-дәрежелі бағытталған матроидтың элементтері мен гипержазықтықтары ретінде абстракциялана алады. Нақты сандардан өзге сандық жүйелерді пайдалана отырып анықталған геометриялардың нүктелері мен түзулері де матроидтар құрайды, бірақ міндетті түрде бағытталған матроидтар емес. Осы контексте, қарапайым түзулер санын төменгі шектеу нәтижесін бағытталған матроидтарға жалпылауға болады: элементтері бар кез келген 3-дәрежелі бағытталған матроид кем дегенде екі нүктелік түзуге ие болуы керек, немесе екі нүктелік түзуі аз 3-дәрежелі матроид бағытталмайды. Екі нүктелік түзуі жоқ матроид Сильвестр матроиды деп аталады. Бұған байланысты, жеті нүктеден және үш қарапайым түзуден тұратын Келли-Мозер конфигурациясы GF(4) өкілдігіндегі матроидтар үшін тыйым салынған минорлардың бірі болып табылады.
Қашықтық геометриясы
Сильвестр—Галлай теоремасының кез келген метрикалық кеңістікке жасалған тағы бір жалпылауы болжамдалды және дәлелденді. Осы жалпылауда метрикалық кеңістіктегі үш нүкте, егер олар үшін үшбұрыш теңсіздігі теңдікпен орындалса, бір түзуде жатқан деп анықталады. Ал түзу, кез келген екі нүктеден бастап, осы түзуге бірге жатқан қосымша нүктелерді қосып, мұндай нүктелерді енгізу мүмкін болмайынша қайталап анықталады. Шватал мен Ченнің жасаған жалпылауы, әрбір шекті метрикалық кеңістікте барлық нүктелерді немесе дәл екі нүктені қамтитын түзудің болатынын көрсетеді.