Кіріспе
Симетриялық жиынтықтардың симметриялық орналасуы Комбинаторлық дизайн теориясы - комбинаторлық математиканың жиынтықтардың жүйелерінің болуы, құрылысы және қасиеттерімен айналысатын бөлігі, олардың орналасуы теңгерімнің және / немесе симметрияның жалпыланған тұжырымдамаларын қанағаттандырады. Бұл ұғымдар дәл келтірілмеген, сондықтан көптеген нысандарды бір шатырдың астында деп ойлауға болады. Кейде бұл блок дизайндағы сияқты жиынтық қиылыстардың сандық өлшемін қамтиды, ал басқа уақытта судоку торларындағыдай массивтегі жазулардың кеңістіктік орналасуын қамтиды. Комбинаторлық жобалау теориясын эксперименттерді жобалау саласында қолдануға болады. Комбинаторлық жобалардың негізгі теориясының кейбіреулері статистик Рональд Фишердің биологиялық эксперименттердің дизайны туралы жұмысында пайда болды. Қазіргі заманғы қолданбалар сондай-ақ шекті геометрия, турнирлер кестесі, лотереялар, математикалық химия, математикалық биология, алгоритмдерді жобалау және талдау, желілер, топтық тестілеу және криптография сияқты көптеген салаларда кездеседі.
Combinatorial design theory is the part of combinatorial mathematics that deals with the existence, construction and properties of systems of finite sets whose arrangements satisfy generalized concepts of balance and/or symmetry. These concepts are not made precise so that a wide range of objects can be thought of as being under the same umbrella. At times this might involve the numerical sizes of set intersections as in block designs, while at other times it could involve the spatial arrangement of entries in an array as in sudoku grids. Combinatorial design theory can be applied to the area of design of experiments. Some of the basic theory of combinatorial designs originated in the statistician Ronald Fisher's work on the design of biological experiments. Modern applications are also found in a wide gamut of areas including finite geometry, tournament scheduling, lotteries, mathematical chemistry, mathematical biology, algorithm design and analysis, networking, group testing and cryptography.
Мысал
n адамнан тұратын белгілі бір санды ескере отырып, оларды жиынтықтарға бөлу мүмкін бе? Әр адам кем дегенде бір жиынтыққа кіреді, әр жұп адам бір жиынтыққа кіреді, әр екі жиынтық бір адаммен ортақ болады, және ешқандай жиынтыққа барлық адамдар кірмейді, бір адамнан басқа, немесе дәл бір адам? Бұл n-дің шешімі тек n-дің формасы q2 + q + 1 болса ғана болады. Егер q - жай сан болса, онда шешімнің бар екендігін дәлелдеу оңай емес. Бұл жалғыз шешімдер деп болжанады. Егер 1 немесе 2 мод 4 -ке сәйкес келетін q үшін шешім болса, онда q екі квадрат санның қосындысы болып табылады. Бұл соңғы нәтиже, БрукРайзер теоремасы, шекті өрістерге негізделген конструктивтік әдістердің комбинациясы және квадраттық формаларды қолдану арқылы дәлелденген. Мұндай құрылым бар болған кезде, ол шекті проекциялық жазықтық деп аталады; осылайша шекті геометрия мен комбинаториканың қалай қиылысуын көрсетеді. Q = 2 болғанда проекциялық жазықтық Фано жазықтығы деп аталады.
This has a solution only if n has the form q2 + q + 1. It is less simple to prove that a solution exists if q is a prime power. It is conjectured that these are the only solutions. It has been further shown that if a solution exists for q congruent to 1 or 2 mod 4, then q is a sum of two square numbers. This last result, the Bruck–Ryser theorem, is proved by a combination of constructive methods based on finite fields and an application of quadratic forms. When such a structure does exist, it is called a finite projective plane; thus showing how finite geometry and combinatorics intersect. When q = 2, the projective plane is called the Fano plane.
Тарих
Комбинациялық дизайн ежелгі дәуірге жатады, Ло Шу алаңы ертедегі сиқырлы алаң болып табылады. Комбинаторлық дизайнның ең ерте кездесетін қолданылуы Үндістанда Варахамихираның б.з. 587 жылы жазылған "Брат Самхита" кітабында кездеседі. Комбинаторлық дизайн 18-ғасырдан бастап комбинаториканың жалпы өсуімен бірге дамыды, мысалы, 18-ғасырда латын квадраттарымен және 19-ғасырда Штайнер жүйелерімен. Дизайндар сонымен қатар Киркманның мектеп оқушысының проблемасы (1850) сияқты демалыс математикасында және дөңгелек робин турнирлерін жоспарлау сияқты практикалық проблемаларда танымал болды (шешімі 1880 жылдары жарияланды). 20-ғасырдағы жобалар эксперименттердің жобалауына, атап айтқанда латын квадраттарына, шекті геометрияға және ассоциация схемаларына қолданылды, алгебралық статистика саласы пайда болды.
Негізгі комбинаторлық жобалар
Комбинаторлық дизайн тақырыбының классикалық өзегі теңгерімді толық емес блок дизайндары (BIBD), Хадамар матрицалары мен Хадамард дизайндары, симметриялық BIBD, латын квадраттары, шешілетін BIBD, айырмашылықтар жиынтығы және жұппен теңгерімді дизайндар (PBD) айналасында құрылған. Басқа комбинаторлық жобалар осы негізгілерді зерттеумен байланысты немесе осы зерттеуден дамыған. Теңгерімді толық емес блок дизайны немесе BIBD (әдетте қысқаша блок дизайны деп аталады) - бұл X элементтерінің кез келген элементі r блоктарында бірдей санда, әрбір блокта k элементтер саны бірдей, ал әр жұп ерекше элементтер λ блоктарында бірдей санда кездесетін, b субтоптарының (блоктар деп аталатын) жиынтығы. BIBD-лер 2 дизайн деп те аталады және көбінесе 2 (v,k,λ) дизайн ретінде белгіленеді. Мысалы, λ = 1 және b = v болғанда, бізде проекциялық жазықтық болады: X - жазықтықтың нүктелік жиынтығы, ал блоктар - сызықтар. Симметриялық теңдестірілген толық емес блок дизайны немесе SBIBD - v = b (нокталар саны блоктар санына тең) BIBD. Олар BIBD-дің ең маңызды және жақсы зерттелген кіші класы болып табылады. Жобалау ұшақтары, бипландар және Хадамард-2 жобалары барлығы SBIBD. Олар ерекше қызығушылық тудырады, өйткені олар Фишер теңсіздікінің (b ≥ v) экстремалды мысалдары болып табылады. Шешілетін BIBD - бұл BIBD-дің блоктары жиынтықтарға (паралель кластар деп аталады) бөлінуі мүмкін, олардың әрқайсысы BIBD нүктелік жиынтығының бөлімін құрайды. Паралель кластардың жиынтығы дизайнның шешілуі деп аталады. 15 оқушы қыздың әйгілі мәселесінің шешімі v = 15, k = 3 және λ = 1 болатын BIBD шешімін табу болып табылады. Латын тікбұрышы - бұл r × n матрицасы, оның еншілері ретінде 1, 2, 3, , n сандары бар (немесе n түрлі символдардың кез келген басқа жиынтығы), r ≤ n кез келген жол немесе бағанда бір реттен артық кездеспейтін сан. N × n латын тікбұрышы латын квадрат деп аталады. Егер r < n болса, онда Hall's marriage теоремасын қолдана отырып, латын квадратын қалыптастыру үшін r × n латын тікбұрышына n − r жолдарды қосуға болады. n-тізбегі бар екі латын квадраты ортогоналды деп аталады, егер екі квадраттағы сәйкес келетін жазулардан тұратын барлық реттелген жұптардың жиынтығында n2 ерекше мүшелер болса (барлық ықтимал реттелген жұптар пайда болады). Бір реттік латын квадраттарының жиынтығы, егер жиынтықтағы латын квадраттарының әрбір жұбы ортогональ болса, өзара ортогональ латын квадраттарының жиынтығын (MOLS) құрайды. n-реттік MOLS жиынында ең көп дегенде n - 1 квадрат болуы мүмкін. n-реттік MOLS жиыны n-реттік проективті жазықтықты (және керісінше) құру үшін пайдаланылуы мүмкін. A (v, k, λ) айырмашылық жиынтығы - G тобының D қосалқы жиынтығы, G-нің тәртібі v, D-нің мөлшері k, ал G-нің әр бірдей емес элементі D элементтерінің d1d2−1 көбейтіндісі ретінде дәл λ тәсілдермен (G көбейту операциясымен жазылған кезде) білдірілуі мүмкін. Егер D - айырмашылықтар жиынтығы болса, ал G -де g болса, онда g D = {gd: d in D} - де айырмашылықтар жиынтығы, және D-дің трансляциясы деп аталады. Мұндай конструкцияда v элементтер мен v блоктар бар. Дизайнның әрбір блогы k нүктеден тұрады, әр нүкте k блокта болады. Кез келген екі блоктың ортақ λ элементтері бар және кез келген екі нүкте λ блоктарда бірге пайда болады. Бұл SBIBD-ді D-нің дамуы деп атайды. Атап айтқанда, λ = 1 болса, онда айырмашылық жиынтығы проективті жазықтықты тудырады. Топтағы (7,3,1) айырмашылық жиынның мысалы (абельдік топтың қосымша түрде жазылуы) {1,2,4} қосалқы жиын болып табылады. Осы айырмашылық жиынтығының дамуы Фано жазықтығын береді. Әр айырмашылық жиынтығы SBIBD-ді беретіндіктен, параметрлер жиынтығы БрукРайзерЧоула теоремасын қанағаттандыруы керек, бірақ әр SBIBD айырмашылық жиынтығын бермейді. Хадамар матрицасы стандартталған түрге (яғни, эквивалентті Хадамар матрицасына) енгізілуі мүмкін, онда бірінші жол мен бірінші бағанның барлық жазулары +1. Егер m > 2 болса, онда m - 4 еселі болуы керек. Стандартталған түрдегі 4a реттік Хадамард матрицасын ескере отырып, бірінші жолды және бірінші бағанды алып тастаңыз және әрбір -1 -ді 0-ге айналдырыңыз. Нәтижесінде 01 матрицасы M - бұл Гадамард 2 дизайны деп аталатын симметриялық 2 − (4a − 1, 2a − 1, a − 1) дизайнының жиілік матрицасы. Бұл конструкция кері айналады, және осы параметрлермен симметриялық 2 жобаның пайда болу матрицасын 4a реттік Хадамард матрицасын қалыптастыру үшін пайдалануға болады. a = 2 болғанда, біз қазір танымал болған Фано жазықтығын Хадамард 2 дизайны ретінде аламыз. Жұптық теңгерімделген дизайн (немесе PBD) - бұл X жиынтығы X-тің кіші жиынтықтар отбасымен б...
In particular, if λ = 1, then the difference set gives rise to a projective plane. An example of a (7,3,1) difference set in the group (an abelian group written additively) is the subset {1,2,4}. The development of this difference set gives the Fano plane. Since every difference set gives an SBIBD, the parameter set must satisfy the Bruck–Ryser–Chowla theorem, but not every SBIBD gives a difference set. An Hadamard matrix of order m is an m × m matrix H whose entries are ±1 such that HH⊤ = mIm, where H⊤ is the transpose of H and Im is the m × m identity matrix. An Hadamard matrix can be put into standardized form (that is, converted to an equivalent Hadamard matrix) where the first row and first column entries are all +1. If the order m > 2 then m must be a multiple of 4. Given an Hadamard matrix of order 4a in standardized form, remove the first row and first column and convert every −1 to a 0. The resulting 0–1 matrix M is the incidence matrix of a symmetric 2 − (4a − 1, 2a − 1, a − 1) design called an Hadamard 2 design. This construction is reversible, and the incidence matrix of a symmetric 2 design with these parameters can be used to form an Hadamard matrix of order 4a. When a = 2 we obtain the, by now familiar, Fano plane as an Hadamard 2 design. A pairwise balanced design (or PBD) is a set X together with a family of subsets of X (which need not have the same size and may contain repeats) such that every pair of distinct elements of X is contained in exactly λ (a positive integer) subsets. The set X is allowed to be one of the subsets, and if all the subsets are copies of X, the PBD is called trivial. The size of X is v and the number of subsets in the family (counted with multiplicity) is b.
Fisher's inequality holds for PBDs: For any non trivial PBD, v ≤ b. This result also generalizes the famous Erdős–De Bruijn theorem: For a PBD with λ = 1 having no blocks of size 1 or size v, v ≤ b, with equality if and only if the PBD is a projective plane or a near pencil.