Кіріспе
Желі нүктелеріндегі геометриялық мәселе. Дискретті геометриядағы үш нүкте бір түзуде болмауы мәселесі торға қанша нүкте орналастыруға болатынын сұрайды, осылайша үш нүкте бір түзуде жатпайды. Мәселе барлық еңістердегі түзулерге қатысты, тек торға сәйкес келетін түзулерге ғана емес. Оны Генри Дуденей 1900 жылы қойған. Брас, Мозер және Пах оны "тор нүктелеріне қатысты ең көне және кеңінен зерттелген геометриялық сұрақтардың бірі" деп атайды. Көптеген нүктелерді орналастыруға болады, себебі тордағы нүктелер үш немесе одан көп нүктеден тұратын қатар құрайды, бұл көгершін принципімен түсіндіріледі. Мәселе кез келген үшін нүктелермен шешілгенімен, үлкен өлшемді торларда одан да аз нүктелер орналастырылуы мүмкін деген болжам бар. Белгілі әдістер кез келген өлшемдегі торларға сызықтық түрде көптеген нүктелерді орналастыра алады, бірақ осы әдістердің ең жақсысы торлардағы нүктелер санын аздап ғана кемітеді. Торларға қоса, басқа нүктелер жиындарында үш нүкте бір түзуде болмауына қатысты бірнеше ұқсас мәселелер де зерттелген. Көңіл көтеру математикасынан бастау алғанмен, үш нүкте бір түзуде болмауы мәселесі график салу және Хайльбронн үшбұрышы мәселесінде қолданылады.
The no three in line problem in discrete geometry asks how many points can be placed in the grid so that no three points lie on the same line. The problem concerns lines of all slopes, not only those aligned with the grid. It was introduced by Henry Dudeney in 1900. Brass, Moser, and Pach call it "one of the oldest and most extensively studied geometric questions concerning lattice points". At most points can be placed, because points in a grid would include a row of three or more points, by the pigeonhole principle. Although the problem can be solved with points for every up to , it is conjectured that fewer than points can be placed in grids of large size. Known methods can place linearly many points in grids of arbitrary size, but the best of these methods place slightly fewer than points, not
Several related problems of finding points with no three in line, among other sets of points than grids, have also been studied. Although originating in recreational mathematics, the no three in line problem has applications in graph drawing and to the Heilbronn triangle problem.
Жоғарғы және төменгі шектері
, функциясы ретінде орналастырылатын нүктелердің нақты саны белгісіз. Дегенмен, дәлелденген және болжамдық шектеулер бұл санды шамамен пропорционал диапазонға дейін шектейді.
Жалпы орналастыру әдістері
Ердос ұсынған шешім, мынада жарияланған, мынаған негізделген: егер p жай сан болса, онда p модуль бойынша x және y координаталарының барлық нүктелерінің жиынында үш бір түзу бойында жатқан нүкте жоқ. Егер p жай сан болмаса, онда осы құрылымды p модуліндегі тордың ішіндегі p-ден кіші немесе тең ең үлкен жай санға дейін жасауға болады. Қосымша жай сандар арасындағы арақашықтық өзінің жай сандарынан әлдеқайда кішкентай болғандықтан, p әрқашан p-ге жақын болады, сондықтан осы әдіс p модуліндегі n нүктесін үш нүкте бір түзу бойында жатпайтындай етіп орналастыру үшін қолданылуы мүмкін. Ердостың шектеуі кейіннен жақсартылды: жай сан болғанда, гиперболаның бірнеше көшірмелеріне нүктелерді орналастыру арқылы n нүктесімен шешім табуға болады (mod p), мұнда p-ге қатысты нөлден өзгеше кез келген сан таңдалынуы мүмкін. Сонымен қатар, кез келген n үшін осы құрылымды n-ге жақын жай сан үшін жасауға болады, соның нәтижесінде шешім алуға болады.
Жоғарғы шек
Кез келген өлшемдегі торға ең көп нүктелерді орналастыруға болады. Егер одан көп нүктелер орналастырылса, онда «көгершін ұясы» принципі бойынша, олардың үшеуі тордың бірдей көлденең қатарында жатады. Бұл тривиальды шектеудің дұрыс екені белгілі.
Қолданбалар
Сызықта үш нүкте болмау мәселесінің шешімдерін графиктерді салу кезіндегі кейбір дегенерацияларды болдырмау үшін қолдануға болады. Олар қолданылатын мәселе берілген графиктің төбелерін жазықтықтағы бүтін санды координаталарға орналастыруды және графиктің қабырғаларын түзу сызық сегменттері ретінде салуды қамтиды. Кейбір графиктер үшін, мысалы, пайдалы график үшін, қабырғалар жұптарының арасындағы қиылысулар болмай қалмауы мүмкін, бірақ бір төбе екі басқа төбе арқылы өтетін қабырғада жатқан орналасулардан аулақ болу керек. Егер төбелер бір қатарда үш нүкте болмаса, онда мұндай проблемалық орналасу мүмкін емес, өйткені кез келген екі төбеден өтетін толық сызық, тек сызық сегменті ғана емес, басқа төбелерден бос болады. Сызықта үш нүкте болмау мәселесінің сызықтық санымен көп нүктесі бар шешімін график салу терминдеріне аударуға болады, яғни әрбір графикті, тіпті толық графикті, қажетсіз төбе-қабырға инциденттерісіз, төбелер санының квадратына пропорционал ауданы бар торды қолдана отырып салуға болады, ал толық графиктер үшін мұндай сызу квадратынан кем ауданда мүмкін емес. Толық графиктер кез келген графикті бояу кезінде түстердің сызықтық санын қажет етеді, бірақ аз түстермен бояуға болатын басқа графиктер де кішірек торларға салынуы мүмкін: егер графикте төбе және түстің графиктік бояуы болса, оны ауданы пропорционал торға салуға болады. Толық графиктің сызықта үш нүкте болмау бойынша салуы – бұл нәтиженің ерекше жағдайы. Сызықта үш нүкте болмау мәселесі дискретті геометриядағы басқа мәселеге, Хайльбронн үшбұрышы мәселесіне де қолданылады. Бұл мәселеде нүктелерді бірлік шаршының кез келген жеріне орналастыру керек, ол тормен шектелмейді. Орналасудың мақсаты – кішкентай ауданы бар үшбұрыштарды болдырмау, әсіресе үш нүктеден тұратын ең кішкентай үшбұрыштың ауданын барынша арттыру. Мысалы, үш нүкте бір сызықта орналасқан жағдайда бұл критерий бойынша өте жаман болады, өйткені бұл үш нүкте нөлдік ауданы бар дегенеративті үшбұрышты құрайды. Екінші жағынан, егер нүктелерді бірлік шаршыдағы қабырғасы ұзындығы бар торға орналастыруға болады, онда бір қатарда үш нүкте болмаса, Пик теоремасы бойынша әрбір үшбұрыштың ауданы кем дегенде , тордың жартысы болады. Сондықтан, сызықта үш нүкте болмау мәселесін шешу және содан кейін бүтін санды торды бірлік шаршыға сәйкес келтіру үшін кішірету, ең кішкентай үшбұрыштың ауданы бар Хайльбронн үшбұрышы мәселесінің шешімін береді. Бұл қолданыс Пол Эрдостың сызықта үш нүкте болмау мәселесінің шешімін табуына ықпал етті. Ол 1951 жылдан 1982 жылға дейін Хайльбронн үшбұрышы мәселесі үшін белгілі ең жақсы төменгі шек болып қалды, содан кейін ол сызықта үш нүкте болмау мәселесіне негізделмеген құрылымды қолдана отырып, логарифмдік фактормен жақсартылды.
The no three in line problem also has applications to another problem in discrete geometry, the Heilbronn triangle problem. In this problem, one must place points, anywhere in a unit square, not restricted to a grid. The goal of the placement is to avoid small area triangles, and more specifically to maximize the area of the smallest triangle formed by three of the points. For instance, a placement with three points in line would be very bad by this criterion, because these three points would form a degenerate triangle with area zero. On the other hand, if the points can be placed on a grid of side length within the unit square, with no three in a line, then by Pick's theorem every triangle would have area at least , half of a grid square. Therefore, solving an instance of the no three in line problem and then scaling down the integer grid to fit within a unit square produces solutions to the Heilbronn triangle problem where the smallest triangle has area This application was the motivation for Paul Erdős to find his solution for the no three in line problem. It remained the best area lower bound known for the Heilbronn triangle problem from 1951 until 1982, when it was improved by a logarithmic factor using a construction that was not based on the no three in line problem.
Жалпы позициялық кіші жиынтықтар
Есептеу геометриясында үш нүкте бір түзуде жатпайтын нүктелердің шекті жиыны жалпы позицияда деп аталады. Осы терминология бойынша, үш нүкте бір түзуде жатпау мәселесі жалпы позициядағы тордың ең үлкен кіші жиынын табуға бағытталған, бірақ зерттеушілер басқа тор емес нүктелер жиындарының ең үлкен жалпы позициялық кіші жиынын табу мәселесін де қарастырды. Белгілі бір кіріс жиындары үшін осы кіші жиынды табу NP қиын, ал оның мөлшерін тұрақты фактор ішінде шамалау да қиын; осы шамалау қиындығы нәтижесі мәселенің APX қиын екенін көрсетеді. Егер ең үлкен кіші жиынның мөлшері болса, тұрақты емес шамалас қатынасы бар шешімді ашкөз алгоритммен алуға болады, ол таңдалған нүктелердің жұптары арқылы өтетін түзулерде барлық қалған нүктелер жатқанша бір-бірлеп нүктелерді таңдайды. Нақты оңтайлы шешімді табу алгоритмдерінің жұмыс уақытын тереңірек түсіну үшін параметрленген күрделілікті пайдалануға болады, онда алгоритмдер кіріс мөлшеріне ғана емес, сонымен қатар кірістің басқа параметрлеріне қарай талданады. Бұл жағдайда, ең үлкен жалпы позициялық кіші жиыны мөлшері бар кіріс үшін, оны кіріс мөлшеріне полиноммен көбейтілген экспоненциалдық функция болып табылатын уақыт ішінде табуға болады, полиномның дәрежесі оған тәуелді емес. Бір түзуде ең көп нүктесі бар нүктелер жиыны үшін, <math display=inline>\ell=O(\sqrt{ мөлшері <math display=inline>\ell=O(\sqrt{-ге жуық жалпы позициялық кіші жиындар бар. Тор мысалы осы шекараны айтарлықтай жақсарту мүмкін емес екенін көрсетеді. Осы үлкен жалпы позициялық кіші жиындардың бар екенін дәлелдеуді энтропиялық сығымдау деп аталатын алгоритмдік әдіс арқылы, осы мөлшерге сәйкес жалпы позициялық кіші жиынды табуға арналған полиномдық уақыт алгоритміне айналдыруға болады.
Ашкөз орналастыру
Мартин Гарднердің ұсынысын қайталап, өлшемді тордағы кеңейтілмейтін ең кіші кіші топты сұрады: оның бір түзуде үш нүктесі жоқ, бірақ кез келген дұрыс үлкен топта бір түзуде үш нүкте болады. Басқаша айтқанда, бұл үш нүктелі түзу болмайтын мәселені шешуге бағытталған ашкөз алгоритмнің бір-бірлеп нүктелерді орналастыру арқылы, тоқтағанша алатын ең кіші жиын. Егер тек оське параллель және диагональ түзулер қарастырылса, онда мұндай кез келген жиын кем дегенде нүктеден тұрады. Дегенмен, барлық түзулер қарастырылатын мәселенің нұсқасы туралы аз мәлімделген: кез келген ашкөз орналастыру тоқтағанша кем дегенде нүктелерді қамтиды, бірақ тривиалды жоғарғы шектен жақсы нәтижелер белгісіз.
Жоғары өлшемдер
Олар үш өлшемді тордағы түзу сызықта жатпайтын нүктелер жиынымен айналысты. Олар түзу сызықта үш нүктесі жоқ тордағы нүктелердің ең көп саны екенін дәлелдеді. Эрдёстің 2D құрылысына ұқсас, бұл mod нүктелерін пайдаланып жүзеге асырылуы мүмкін, мұндағы p саны 3 mod 4-ке конгруэнтті жай сан. Түпнұсқадағы үш нүктесі түзу сызықта жатпау мәселесі екі өлшемді график салу үшін қолданылғандай, осы үш өлшемді шешімді үш өлшемді торда графиктер салу үшін де қолдануға болады. Мұнда түзу сызықта жатпау шарты дегеніміз – төбе жақын емес жиекте жатпауы керек, бірақ екі жиектің қиылыспауы туралы қатаң талаппен жұмыс істеу әдеттегі жағдай. Көп жоғары өлшемдерде гиперсфераға жақын нүктелерді таңдап алынған, үш нүктесі түзу сызықта жатпайтын тор нүктелерінің жиынтығы үлкен Салем-Спенсер жиынтықтарын, арифметикалық прогрессия құрамайтын бүтін сандар жиынтығын табу үшін пайдаланылды. Алайда, екі өлшемде шеңберге жақын нүктелерді таңдаудың осы идеясын қолдану тиімді емес: бұл әдіс үш нүктесі түзу сызықта жатпау талабын қанағаттандыратын, бірақ тым кішкентай дөңес көпбұрыштарды құрайтын нүктелерді табады. Тордағы ұштары бар ең үлкен дөңес көпбұрыштардың ұштары ғана болады. Кап-сеттік мәселе үш нүктесі түзу сызықта жатпау мәселесіне ұқсас проблеманы қарастырады, бұл проблема жоғары өлшемді кеңістіктерде және бүтін сандар емес, шекті өрістердегі векторлық кеңістіктерге негізделген. Жоғары өлшемдерге тағы бір жалпылау – үш өлшемді торда мүмкіндігінше көп нүктелерді табу, олардың төртеуі бір жазықтықта жатпауы керек. Бұл реттілік 5, 8, 10, 13, 16, үшін және т.б. басталады.
Similarly to Erdős's 2D construction, this can be accomplished by using points mod , where is a prime congruent to 3 mod 4. Just as the original no three in line problem can be used for two dimensional graph drawing, one can use this three dimensional solution to draw graphs in the three dimensional grid. Here the non collinearity condition means that a vertex should not lie on a non adjacent edge, but it is normal to work with the stronger requirement that no two edges cross. In much higher dimensions, sets of grid points with no three in line, obtained by choosing points near a hypersphere, have been used for finding large Salem–Spencer sets, sets of integers with no three forming an arithmetic progression. However, it does not work well to use this same idea of choosing points near a circle in two dimensions: this method finds points forming convex polygons, which satisfy the requirement of having no three in line, but are too small. The largest convex polygons with vertices in an grid have only vertices. The cap set problem concerns a similar problem to the no three in line problem in spaces that are both high dimensional, and based as vector spaces over finite fields rather than over the integers. Another generalization to higher dimensions is to find as many points as possible in a three dimensional grid such that no four of them are in the same plane. This sequence begins 5, 8, 10, 13, 16, for , etc.
Торос
Мәселедегі тағы бір өзгеріс, торды периодты шекаралық шарттарды қолдану арқылы дискретті торға түрлендіруді қамтиды, онда тордың сол жағы оң жағымен, ал үстіңгі жағы төменгі жағымен қосылады. Бұл, тор арқылы еңкейген сызықтарға қатысты, оларды көп нүктелер арқылы ұзартылған сызықтарға біріктіру әсерін тигізеді, демек әр сызықтан ең көп екі нүкте таңдауды қиындатады. Осы ұзартылған сызықтарды Евклид жазықтығындағы шексіз тор арқылы өтетін қалыпты сызықтар ретінде де қарастыруға болады, олар тордың өлшемдеріне қатысты модульдік түрде алынады. өлшемді тор үшін, үш нүкте бір сызықта болмайтын нүктелердің максималды саны -қа тең. Егер екі өлшем де тең және жай сан болса, онда түзу сызықтың үштіктерін құраусыз әрбір қатар мен бағанға дәл бір нүкте орналастыру мүмкін емес. Мәселенің жоғары өлшемді торлық нұсқалары да зерттелді.