こんにちは,itouです.今回はグリーン・タオの定理シリーズ第3回,
三角形除去補題
アイタイ・セメレディの定理(コーナー定理ともいう)
ロスの定理
の流れを見ていきます.
各命題の主張は以下の通り.
三角形除去補題
任意のに対してが存在して,以下が成立する.グラフを任意に考えて,その頂点の個数をとおく.もしが高々個しか三角形を含まなければ,高々個の辺を除去することによって,三角形を含まないようなの部分グラフを得ることができる.
アイタイ・セメレディの定理
整数(ただし)を用いてと表されるの部分集合をコーナーとよぶ.実数に対して正整数が存在して,以下が成立する.を満たす任意の整数に対して,であるような集合はコーナーを含む.
ロスの定理
実数に対して正整数が存在して,以下が成立する.を満たす任意の整数に対して,であるような集合は長さ3の等差数列を含む.
(正確には後述するように三角形除去補題をグラフの言葉で書いた定理を使う)
ここからはグラフ理論の話です.
まず定義を並べます.
定義
以降グラフといえば単純無向有限グラフ(辺としてループと多重辺をもたず辺に向きがない,頂点の数が有限のグラフ)を考えます.そうすると辺はその両端の頂点からなる2元集合と同一視できます.つまりと考えてよいです.
※はの冪集合
これを一般化して,
ハイパーグラフ
グラフの定義において辺集合をと同一視したものをハイパーグラフという.
つまり辺とは頂点たちの関係のことをいいます.このように集合に構造を与えていくのが本書におけるグラフの役割です.
(頂点)グラフ
()を有限集合とし,を正整数とする.このとき,との部分集合の組のことを(頂点)グラフという.
※本には単にグラフと書かれていますが,わかりやすくするために(頂点)グラフとかくことがあります.
※(頂点)グラフは一様ハイパーグラフともいいます.
辺集合はの部分集合だということです.(これは大事)
部分グラフ,同型
2つのグラフについて,かつであるとき,はの部分グラフであるという.また全単射写像であって「」が成り立つとき,とは同型であるという.
これは大丈夫だと思います.
頂点完全グラフ
をを満たす正整数とする. 頂点完全グラフを,によって定める.また,と略記する.を頂点完全グラフという.
とは1以上以下の整数の集合でした.頂点完全グラフは
辺集合がに等しいような(k頂点)グラフをいいます.
3部2グラフデータ
が有限集合であり,各に対してであるとき,を3部2グラフデータという.また,これをと略記する.
次節のイメージも参考にしてください.
3部2グラフ
「頂点集合が3個の部分に分けられていて,同じ部分に属する相異なる頂点たちが同じ辺の構成要素になることがないような2グラフ」のことを3部2グラフという.3部2グラフデータが与えられたとき,とおき,を自然にの部分集合と思うことによって,3部2グラフを自然に構成できる.このとき,をから構成される3部2グラフとよぶ.
です.(これを非交和といいます.)
三角形
グラフに対して,と同型なの部分グラフのことをに含まれる三角形という.
を3部2グラフデータから構成される3部2グラフに含まれる三角形の頂点集合の集まりとする.すなわち,
と定義する.
グラフとは頂点集合と,頂点間の関係(辺)から成り立っています.そのような集合と関係のセットのルールこそがグラフなのです.頂点集合はなんでもよいです.すぐ後には格子点の無限集合を頂点としてもつグラフが登場します.
イメージ
3部2グラフのことを単に3部グラフともいいます.3部グラフとは下の図のような構造をもつグラフです.
3部グラフのイメージ
三角形除去補題
さて,三角形除去補題とは以下の命題でした.
三角形除去補題
任意のに対してが存在して,以下が成立する.グラフを任意に考えて,その頂点の個数をとおく.もしが高々個しか三角形を含まなければ,高々個の辺を除去することによって,三角形を含まないようなの部分グラフを得ることができる.
対偶をとってみると主張は
において,高々個の辺を除去するだけでは三角形をなくすことが決してできないならば,は高々個よりも多くの三角形を含む
です.
ざっくり説明すると「三角形が少ないグラフは三角形を一切なくすことができる」
となります.
この補題をグラフの言葉で述べると以下のようになります.
3部グラフ版三角形除去補題
任意のに対してが存在して,以下が成立する.3部グラフデータが
を満たすとき,3部グラフデータが存在してかつ任意のに対して
が成り立つ.
は除去すべき三角形の個数のことで,それが任意ので上から抑えられるということです.たしかに先の三角形除去補題と同じことを言っていますね.
3部グラフ版三角形除去補題においては三角形を除去したグラフがの部分グラフでなくてもよいという意味で,上の三角形除去補題よりも3部グラフ版三角形除去補題の方が強い定理です.今後単に三角形除去補題というときは3部グラフ版三角形除去補題を指すことにします.
三角形除去補題アイタイ・セメレディの定理
実数を任意にとって,と定義します.とし,を満たす集合をとります.このに対し,3部グラフデータを以下のように定めます.このに対し,
頂点集合は
とします.ただし,
とします.は直線上の格子点の集合ですが,単に直線と呼ぶことにします.その直線ひとつひとつを頂点とします.
辺集合を次のように定めます.
いま,と分割できます.ただし,
とは,
「三角形の頂点をなす3直線のうち,2直線を選んでその交点として得られる3つの格子点が内のコーナーとなるような三角形の集合」で,
とは,
「三角形の頂点をなす3直線の交点がの1元集合であるような三角形の集合」
です.それぞれ非自明なコーナー,自明なコーナーに対応した三角形です.言いたいのはでした.背理法で示します.
を仮定すると,
です.ただし最後の不等号はの定義とを用いました.さて,これは三角形除去補題の仮定であったので,3部グラフデータが存在してかつ任意のに対して
です.各に属する辺を除去するとき,に属する三角形すべてから辺を一つずつ除去しなければなりません.これらに属する三角形は2つの頂点(=2直線)から残りの1点が決まるので,どの2つも辺を共有することはあり得ません.(1辺を共有するならば同じ三角形なので)よって,除去すべき辺の個数は少なくともの元以上であり,
が成り立ちます.最後から2番目の不等号はに注意し,より分かります.
だったので,結局を得ますが,これはに矛盾し,証明が完了します.
アイタイ・セメレディの定理ロスの定理
実数を任意にとって,とする.とし,を満たすをとります.集合を
とします.
なるは個あるので,
よって,アイタイ・セメレディの定理より,はコーナーを含みます..このとき,の定義よりはを含むことが分かります.これは長さ3の等差数列.
感想
三角形除去補題アイタイ・セメレディの定理の証明におけるグラフの作り方は見事ですね.次回はこれの一般化の証明を追っていきます.
謝辞
ここまで読んで下さりありがとうございました。誤植等指摘お願いいたします.