Кіріспе
Кениг леммасы немесе Кенигтің шексіздік леммасы – графтар теориясындағы теорема. Оны 1927 жылы венгр математигі Денес Кениг жариялаған. Бұл теорема шексіз графтың шексіз ұзын жолы болуы үшін жеткілікті шартты келтіреді. Математикалық логика саласындағы зерттеушілер, әсіресе есептеу теориясы бойынша, осы теореманың есептеулік аспектілерін жан-жақты зерттеді. Бұл теорема сондай-ақ конструктивті математика және дәлелдеу теориясында маңызды рөл атқарады.
Kőnig's lemma or Kőnig's infinity lemma is a theorem in graph theory due to the Hungarian mathematician Dénes Kőnig who published it in 1927. It gives a sufficient condition for an infinite graph to have an infinitely long path. The computability aspects of this theorem have been thoroughly investigated by researchers in mathematical logic, especially in computability theory. This theorem also has important roles in constructive mathematics and proof theory.
Лемманың мәлімдемесі
Байланысты, жергілікті шекті, шексіз граф болсын. Бұл, әрбір екі төбе шекті жол арқылы қосыла алады, әрбір төбе тек шекті сандағы басқа төбелермен ғана іргелес, және графтың шексіз көп төбелері бар екенін білдіреді. Онда графта сәуле болады: бір төбеден басталып, одан шексіз көп төбелер арқылы өтетін қарапайым жол (қайталанатын төбелері жоқ жол). Лемманың пайдалы ерекше жағдайы – әрбір шексіз ағашта шексіз дәрежелі төбе немесе шексіз қарапайым жол болады. Егер граф жергілікті шекті болса, онда ол лемманың шарттарына сай келеді және сәулесі бар, ал егер ол жергілікті шекті болмаса, онда оның шексіз дәрежелі төбесі бар.
Құрылыс
Лемма шарттарына сай келетін графикте сәуленің құрылысын қадам сайын орындауға болады, әр қадамда шекті жолды сақтап, оны шексіз көп шыңдарға жету үшін кеңейтуге болады (барлығы бірдей жолмен міндетті емес). Бұл процесті бастау үшін кез келген бір шыңды алыңыз. Бұл шыңды бір шыңнан және шеттерден тұратын нөлдік ұзындықтағы жол ретінде қарастыруға болады. Лемманың болжамдары бойынша, графиктің әр шексіз көп шыңдарына бастапқы шыңнан қарапайым жолмен жетуге болады. Егер ағымдағы жол қандай да бір шыңда аяқталса, онда ағымдағы жолды кеңейтетін қарапайым жолдармен жетуге болатын шексіз көп шыңдарды қарастырып, осы шыңдардың әрқайсысына қарапайым жол құрастырыңыз. Мұндай кеңейтілген жолдардың саны шексіз көп, олардың әрқайсысы бастапқы шыңнан оның көршілерінің біріне дейін жетеді, бірақ бастапқы шыңның көршілерінің саны шекті. Сондықтан, «көгершін принципінің» бір түрі бойынша, осы көршілердің кем дегенде біреуі осы шексіз көптеген жолдарда келесі қадам ретінде қолданылады. Осы көршіні таңдап, ағымдағы жолды бір шетке созыңыз – бастапқы шыңнан осы көршіге дейін. Бұл кеңейту шексіз көп шыңдарға ағымдағы жолды кеңейтетін қарапайым жолдармен жетуге болатын қасиетті сақтайды. Жолды кеңейту процесін қайталау шекті қарапайым жолдардың шексіз тізбесін тудырады, олардың әрқайсысы тізбектегі алдыңғы жолды тағы бір шетпен кеңейтеді. Осы жолдардың бірігіп, леммамен уәде етілген сәуле пайда болады.
Next, as long as the current path ends at some vertex , consider the infinitely many vertices that can be reached by simple paths that extend the current path, and for each of these vertices construct a simple path to it that extends the current path. There are infinitely many of these extended paths, each of which connects from to one of its neighbors, but has only finitely many neighbors. Therefore, it follows by a form of the pigeonhole principle that at least one of these neighbors is used as the next step on infinitely many of these extended paths. Let be such a neighbor, and extend the current path by one edge, the edge from to This extension preserves the property that infinitely many vertices can be reached by simple paths that extend the current path. Repeating this process for extending the path produces an infinite sequence of finite simple paths, each extending the previous path in the sequence by one more edge. The union of all of these paths is the ray whose existence was promised by the lemma.
Есептеуге қабілеттілік аспектілері
Кёниг леммасының есептеулік аспектілері жан-жақты зерттелді. Осы мақсатта Кёниг леммасын кез келген шексіз тармақталған субағаш шексіз жолға ие деген түрінде тұжырымдау ыңғайлы. Мұндағы – табиғи сандар жиыны (ординал сан ретінде қарастырылады), ал – түйіндері табиғи сандардың барлық шекті тізбектері болатын ағаш. Ағаштағы түйіннің ата-анасы тізбектен соңғы элементін жою арқылы алынады. Кез келген шекті тізбекті өзінен-өзіне дейінгі ішінара функциямен, ал кез келген шексіз жолды толық функциямен сәйкестендіруге болады. Бұл есептеу теориясының әдістерін қолдана отырып талдау жасауға мүмкіндік береді. Әрбір тізбекте тек шекті саны ғана тікелей кеңейтімдері бар (яғни, ағаш граф ретінде қарастырылғанда шекті дәрежеге ие) субағаш шекті тармақталған деп аталады. Кез келген шексіз субағаштың шексіз жолы болуы міндетті емес, бірақ Кёниг леммасы кез келген шекті тармақталған шексіз субағаштың мұндай жолы болуын көрсетеді. Кез келген субағаш үшін белгісімен ағаштағы шексіз жол өтетін түйіндер жиыны білдіріледі. есептеуге болатын болса да, жиыны есептеуге келмей қалуы мүмкін. Егер субағашының шексіз жолы болса, онда бұл жол бойынша қадам сайын, әр қадамда ішіндегі кейінгі ұлпаны таңдап, есептеу арқылы табылады. -ға шектеу қою осы ашкөздік процесінің тоқтап қалмауын қамтамасыз етеді. Арифметикалық жолы жоқ, тіпті гиперарифметикалық жолы жоқ шекті тармақталған есептеуге болатын субағаштар бар екені белгілі. Дегенмен, субағашының кез келген жолы Kleene's O-дан, канондық толық жиыннан есептеуге болатын жолға ие болуы керек. Өйткені жиыны болады (осы белгінің мағынасы үшін аналитикалық иерархияны қараңыз), егер есептеуге болатын болса. Есептеуге болатын шектелген ағаштар үшін тереңірек талдау жүргізілді. Егер ағаштағы әрбір тізбек пен әрбір табиғи сан үшін тізбектің элементі -тан аспаса, онда ағаштың "ендігіне" шек қоятын есептеуге болатын функция бар. Мұндай ағаш есептеулік шектелген немесе рекурсивті шектелген деп аталады. Келесі негізгі теоремалар шексіз, есептеулік шектелген, есептеуге болатын субағаштарға қатысты қолданылады: Кез келген мұндай ағаштың , тоқтату мәселесін шеше алатын канондық Тьюринг толық жиынынан есептеуге болатын жолы бар. Мұндай ағаштардың жолы төменгі деңгейде болады. Бұл төменгі деңгей теоремасы деп аталады. Мұндай ағаштардың кез келгені гипериммундық жолға ие емес. Яғни, жолдан есептелетін кез келген функция есептеуге болатын функциямен шектеледі. -тың есептеуге келмейтін кез келген жиыны үшін ағашта есептеуге келмейтін жол бар. Кёниг леммасының әлсіз түрі, әр шексіз бинарлық ағаштың шексіз тармағы бар екенін күтіп, екінші реттік арифметиканың WKL0 кіші жүйесін анықтау үшін қолданылады. Бұл кіші жүйе кері математикада маңызды рөл атқарады. Бинарлық ағаш – ағаштағы әрбір тізбектің әрбір мүшесі 0 немесе 1 болып табылатын ағаш, яғни ағаш тұрақты функция 2 арқылы есептеулік түрде шектеледі. Кёниг леммасының толық түрі WKL0-де дәлелденбейді, бірақ күштірек ACA0 кіші жүйесіне эквивалентті.
has an infinite path, the path is computable from , step by step, greedily choosing a successor in at each step. The restriction to ensures that this greedy process cannot get stuck. It is known that there are non finitely branching computable subtrees of that have no arithmetical path, and indeed no hyperarithmetical path. However, every computable subtree of with a path must have a path computable from Kleene's O, the canonical complete set. This is because the set is always (for the meaning of this notation, see analytical hierarchy) when is computable. A finer analysis has been conducted for computably bounded trees. A subtree of is called computably bounded or recursively bounded if there is a computable function from to such that for every sequence in the tree and every natural number , the th element of the sequence is at most Thus gives a bound for how "wide" the tree is. The following basis theorems apply to infinite, computably bounded, computable subtrees of Any such tree has a path computable from , the canonical Turing complete set that can decide the halting problem. Any such tree has a path that is low. This is known as the low basis theorem. Any such tree has a path that is hyperimmune free. This means that any function computable from the path is dominated by a computable function. For any noncomputable subset of the tree has a path that does not compute
A weak form of Kőnig's lemma which states that every infinite binary tree has an infinite branch is used to define the subsystem WKL0 of second order arithmetic. This subsystem has an important role in reverse mathematics. Here a binary tree is one in which every term of every sequence in the tree is 0 or 1, which is to say the tree is computably bounded via the constant function 2. The full form of Kőnig's lemma is not provable in WKL0, but is equivalent to the stronger subsystem ACA0.
Конструктивті математика мен тығыздықпен байланысы
Жоғарыда келтірілген дәлелдеме, әдетте конструктивті деп есептелмейді, себебі ол әр қадамда қайшылық арқылы дәлелдеуді қолданады, нәтижесінде, шексіз көп басқа төбелерге жете алатын, іргелес төбе бар екенін анықтайды, сондай-ақ таңдау аксиомасының әлсіз түріне сүйенуіне байланысты. Лемманың есептеулік аспектілері туралы мәліметтер, конструктивті математиканың негізгі мектептері конструктивті деп танитын дәлелдеме берілмейді деген жорамалды ұсынады. Fan теоремасы, классикалық тұрғыдан қарағанда, Кёниг леммасының бір түрінің кері теоремасы болып табылады. S жиынының ішкі жиыны, егер S жиынына кез келген функцияның бастапқы сегменті болса, бар деп аталады. Бар, егер кез келген тізбек барда немесе барда болмаса, ажыратылатын болады (бұл талап қажет, өйткені теорема көбінесе шығарылған орта заңы қабылданбайтын жағдайларда қарастырылады). Бар біркелкі болады, егер қандай да бір N саны болса, онда S жиынына кез келген функцияның бастапқы сегменті бар, оның ұзындығы N-ден аспайды. Брауэрдің желдеткіш теоремасы, кез келген ажыратылатын бар біркелкі болады деп мәлімдейді. Бұл классикалық жағдайда, барды компактты топологиялық кеңістіктің ашық жабындысы ретінде қарастыру арқылы дәлелдеуге болады. Бардағы әрбір тізбек осы кеңістіктің негізгі ашық жиынын білдіреді, ал бұл негізгі ашық жиындар кеңістікті жабады деп есептеледі. Компакттылыққа сәйкес, бұл жабындының шекті ішкі жабындысы бар. Fan теоремасының N саны, шекті ішкі жабындағы негізгі ашық жиыны бар ең ұзын тізбектің ұзындығы ретінде алынуы мүмкін. Бұл топологиялық дәлелді классикалық математикада Кёниг леммасының келесі түрінің дұрыс екенін көрсету үшін қолдануға болады: кез келген k табиғи саны үшін, ағаштың кез келген шексіз кіші ағашында шексіз жол бар.
Таңдау аксиомасымен байланысы
Кениг леммасын таңдау принципі деп қарастыруға болады; жоғарыда келтірілген бірінші дәлел лемма мен тәуелді таңдау аксиомасы арасындағы байланысты көрсетеді. Индукцияның әрбір қадамында белгілі бір қасиетке ие түйін таңдалуы керек. Кем дегенде бір қолайлы түйін бар екені дәлелденгенімен, егер бірнеше қолайлы түйін болса, канондық таңдау жасау мүмкін болмайды. Шындығында, тәуелді таңдау аксиомасының толық күші қажет емес; төменде сипатталғандай, саналатын таңдау аксиомасы жеткілікті. Егер граф саналатын болса, түйіндер жақсы реттелген және ең кішкентай қолайлы түйін таңдалуы мүмкін. Бұл жағдайда Кениг леммасы екінші реттік арифметикада арифметикалық түсінікпен және, әрине, ZF жиын теориясында (таңдаусыз) дәлелденеді. Кениг леммасы, негізінен, тәуелді таңдау аксиомасының барлық қатынастарға шектелуі болып табылады, яғни әрбір элемент үшін осындай элементтердің саны шекті. Таңдау аксиомасы, әдетте, тәуелді таңдау принципінен күштірек болғанымен, тәуелді таңдаудың бұл шектелуі таңдау аксиомасының шектелуіне тең. Атап айтқанда, егер әрбір түйіндегі тармақтану санаулы жиынның шекті ішкі жиынында жасалса, онда "Кез келген шексіз, шекті тармақталған ағашта шексіз жол бар" деген Кениг леммасының түрі, шекті жиындардың кез келген санаулы жиыны үшін таңдау функциясы бар деген қағидаға тең, яғни шекті жиындар үшін саналатын таңдау аксиомасы. Таңдау аксиомасының (осылайша Кениг леммасының) бұл түрі ZF жиын теориясында дәлелденбейді.
Жалпылау
Жинақтар санатында, бос емес шекті жиындардың кез келген кері жүйесінің кері шегі бос емес. Бұл Кёниг леммасының жалпыламасы ретінде қарастырылуы мүмкін және шекті жиындарды компактты дискретті кеңістіктер ретінде қарастырып, содан кейін компакттылықтың шекті қиылысу қасиеттері арқылы сипатталатынды пайдаланып, Тихонов теоремасымен дәлелдеуге болады.