Кіріспе
Комбинаторикадағы 1979 жылғы болжамы, Франкл болжамы деп те аталатын, жиынтардың біріктірілген жабық отбасы туралы болжам – 1979 жылы Петер Франкл қойған комбинаторикадағы ашық мәселе. Егер отбасыдағы кез келген екі жиынның біріктірілісі сол отбасыға жатса, онда жиынтар отбасы біріктірілген жабық деп аталады. Бұл болжамда былай делінеді: бос жиыннан ғана тұратын отбасыдан басқа, кез келген шекті біріктірілген жабық жиынтар отбасы үшін, отбасыдағы жиынтардың кемінде жартысына кіретін элемент болады. Профессор Тимоти Гоуэрс осыны «комбинаторикадағы ең белгілі ашық мәселелердің бірі» деп атады және бұл болжам «оңай болғандай сезінеді (соның салдарынан жылдар бойы көптеген жалған дәлелдер пайда болды). Оның оңай еместігін түсінудің жақсы жолы – оны дәлелдеуге тырысып, бір күн жұмсау. Сіз ойлаған орташа аргумент жұмыс істемейді».
The union closed sets conjecture, also known as Frankl’s conjecture, is an open problem in combinatorics posed by Péter Frankl in 1979. A family of sets is said to be union closed if the union of any two sets from the family belongs to the family. The conjecture states: For every finite union closed family of sets, other than the family containing only the empty set, there exists an element that belongs to at least half of the sets in the family. Professor Timothy Gowers has called this "one of the best known open problems in combinatorics" and has said that the conjecture "feels as though it ought to be easy (and as a result has attracted a lot of false proofs over the years). A good way to understand why it isn't easy is to spend an afternoon trying to prove it. That clever averaging argument you had in mind doesn't work "
Негізгі нәтижелер
Егер біріктірілген жабық отбасыда (жоғарыдағы мысалдағыдай) бір элементті жиын болса, онда бұл элемент отбасының жиынтықтарының кем дегенде жартысында кездесуі керек екенін көрсету оңай. Егер болжамға қарсы мысал болса, онда тек шекті жиындардан тұратын қарсы мысал да болады. Сондықтан, ешқандай жалпылықты жоғалтпай, берілген біріктірілген жабық отбасының барлық жиындары шекті деп есептейміз. Бос емес шекті жиын берілген болса, оның барлық қосалқы жиындарынан тұратын қуат жиыны – біріктірілген жабық жиын болады. Осы жиынның әрбір элементі оның қосалқы жиындарының жартысында ғана кездеседі. Сондықтан, әдетте, отбасының жиынтықтарының жартысынан көбіне кіретін элементті сұрауға болмайды: болжамның шегі өткір.
Қиылысу формуласы
Одақ жабық жиынтық болжамы осы шарттар орындалғанда ғана дұрыс: қиылысуы жабық жиынтық жүйесіндегі элементтердің саны, ғаламдық жиынтықтың (жүйедегі барлық мүшелердің біріктірілісі) жартысынан көп болмайды.
Бұл теңдікті келесі фактілер көрсетеді. Біріншіден, жиынтық жүйесі одақ бойынша жабық болса және тек оның толықтырғышы қиылысу бойынша жабық болса, оны көрсетеміз. 1-лема. Дәлел. Жиынтық жүйенің толықтырғышын былай анықтаймыз: Кез келген , жиынтықтар үшін және олар екеуі де , жиынтығында болады. Өйткені одақ жабық, онда , жиынтығы да , жиынтығында болады, демек, оның толықтырғышы , жиынтығында болады, ал , және жиынтықтарының ешқайсысында да элементтер жоқ. Бұл , және , толықтырғыштарының қиылысына тең. Сондықтан, жиынтық жүйесі одақ бойынша жабық, егер және тек қана оның толықтырғышы қиылысу бойынша жабық болса. Екіншіден, егер жиынтық жүйесіндегі жиынтықтардың кемінде жартысында элемент болса, онда оның толықтырғышындағы жиынтықтардың ең көп дегенде жартысында элемент болады екенін көрсетеміз. 2-лема. Жиынтық жүйесіндегі элемент оның жартысына жуық жиынтығында бар, егер және тек қана толықтырғыш жиынтық жүйесіндегі элемент оның жартысына жуық жиынтығында болса. Дәлел. Тривиальды. Сондықтан, егер жиынтықтардың одағы жабық отбасы болса, ғаламға қатысты жиынтықтардың толықтыру жиынтықтарының отбасы қиылысу бойынша жабық болады, ал жиынтықтардың кемінде жартысына жататын элемент толықтыру жиынтықтарының көп дегенде жартысына жатады. Осылайша, болжамның баламалы түрі (алғашқыда айтылған түрі) – бірден көп жиынтықты қамтитын қиылысу бойынша жабық жиынтықтардың кез келген отбасы үшін, отбасыдағы жиынтықтардың жартысына ғана жататын элемент бар.
The following facts show the equivalence. Firstly, we show that a set system is union closed if and only if its complement is intersection closed. Lemma 1. If is a union closed family of sets with universe , the family of complement sets to sets in is closed under intersection. Proof. We define the complement of the set system as
Let , be arbitrary sets in and so and are both in Since is union closed, is in , and therefore the complement of , is in , the elements in neither , nor
And this is exactly the intersection of the complements of and , Therefore, is union closed if and only if the complement of , is intersection closed. Secondly, we show that if a set system contains an element in at least half the sets, then its complement has an element in at most half. Lemma 2. A set system contains an element in half of its sets if and only if the complement set system , contains an element in at most half of its sets. Proof. Trivial. Therefore, if is a union closed family of sets, the family of complement sets to sets in relative to the universe is closed under intersection, and an element that belongs to at least half of the sets of belongs to at most half of the complement sets. Thus, an equivalent form of the conjecture (the form in which it was originally stated) is that, for any intersection closed family of sets that contains more than one set, there exists an element that belongs to at most half of the sets in the family.
Жатырлық пішін
Жоғарыда жиынтықтар отбасылары тұрғысынан баяндалса да, Франкль болжамы тор теориясындағы сұрақ ретінде де формулирленді және зерттелді. Тор – екі элемент x және y үшін, олардың екеуінен де кіші немесе тең болатын бірегей ең үлкен элементі (x және y-дің тоғысқан нүктесі) және екеуінен де үлкен немесе тең болатын бірегей ең кіші элементі (x және y-дің біріктірілген нүктесі) болатын ішінара реттелген жиынтық. S жиынының жиынтық кіріктіру арқылы реттелген барлық кіші жиындарының отбасы, жиынтық теориялық қиылыспен және жиынтық теориялық бірігумен көрсетілген торды құрайды; осылай құрылған тор Буль торы деп аталады. Франкль болжамының тор теориялық нұсқасы мынадай: кез келген шекті торда екі кіші элементтің біріктірілген нүктесі емес, x деп аталатын элемент болады, және x-тен үлкен немесе тең элементтердің саны тордың жартысына тең болады, тек тор Буль торы болған жағдайда ғана теңдік орын алады. Көрсетілгендей, торлар туралы бұл тұжырым Франкльдің біріктіру бойынша жабық жиындар үшін болжамымен эквивалентті: әрбір торды біріктіру бойынша жабық жиындар отбасына түрлендіруге болады, және әрбір біріктіру бойынша жабық жиындар отбасын торға түрлендіруге болады, сондықтан түрлендірілген объект үшін Франкль болжамының дұрыстығы бастапқы объект үшін болжамның дұрыстығын білдіреді. Бұл тор теориялық нұсқасы торлардың бірнеше табиғи подкластары үшін дұрыс екені белгілі, бірақ жалпы жағдайда әлі де ашық мәселе болып қалады.
Графтық-теориялық тұжырымдама
Одақталған жабық жиынтықтар болжамының тағы бір теңдес тұжырымдамасы графтар теориясын қолданады. Бағытталмаған графта тәуелсіз жиын – бір-біріне іргелес емес төбелер жиыны; тәуелсіз жиын максималды болады, егер ол үлкен тәуелсіз жиынның ішкі жиыны болмаса. Кез келген графта, максималды тәуелсіз жиынның жартысынан көбіне кіретін "салмақты" төбелердің өзі тәуелсіз жиынды құрауы керек. Егер граф бос емес болса, онда әрқашан кемінде бір салмақты емес төбе болады, яғни максималды тәуелсіз жиынның жартысына дейін кіретін төбе. Одақталған жабық жиынтықтар болжамының графтық формулировкасы әрбір шекті бос емес графтың екі іргелес салмақты емес төбесі бар екенін көрсетеді. Бұл графта тақ цикл болғанда автоматты түрде дұрыс, себебі барлық салмақты төбелердің тәуелсіз жиыны циклдың барлық қабырғаларын жаба алмайды. Сондықтан, болжамның қызықтырақ жағдайы екі бөлікті графтар үшін, оларда тақ цикл жоқ. Болжамның тағы бір теңдес тұжырымдамасы – әрбір екі бөлікті графта екі төбе бар, олардың әрқайсысы екі бөліктің әр жағында орналасқан, және осы екі төбенің әрқайсысы графтың максималды тәуелсіз жиындарының жартысына дейін ғана кіреді. Бұл болжам хордалы екі бөлікті графтар, екі бөлікті қатарлы-параллельді графтар және максималды дәрежесі үш болатын екі бөлікті графтар үшін орындалатыны белгілі.
Тарих
Пётр Франкл 1979 жылы қиылысатын жабық жиындықтар отбасы туралы болжам айтты, сондықтан бұл болжам көбінесе оған есептеледі және кейде Франкл болжамы деп аталады. Бұл болжамның біріктіру жабық нұсқасының ең алғашқы жариялануы болып табылады. 2013 жылға дейінгі болжам бойынша жұмыстар тарихы жарияланды.