Aditivní kombinatorika (z anglického sčítání - sčítání) je interdisciplinární [1] oblast matematiky, která studuje vzájemnou závislost různých kvantitativních interpretací konceptu strukturovanosti podmnožiny skupiny (zpravidla konečné), jakož i jako podobné vlastnosti derivátů množiny struktur používaných v těchto interpretacích. Navíc aditivní kombinatorika studuje strukturovanost v různých smyslech některých specifických množin nebo tříd množin (například podmnožin prvočísel nebo multiplikativních podgrup ).
Hlavním předmětem studia jsou tedy konečné množiny , pokud možno co nejabstraktnější, někdy omezené pouze svou velikostí, čímž se tato věda podobá kombinatorice . Avšak na rozdíl od kombinatoriky jako takové, kde jsou prvky množin identifikovány pouze jejich vzájemnou odlišností a příslušností k té či oné uvažované množině, má v aditivní kombinatorice každý prvek množiny jasný význam a objevují se mezi nimi další vztahy. , vyplývající z jejich hodnot a vlastností fungování skupiny (a případně specifických zákonitostí specifických pro danou skupinu).
Aditivní kombinatorika úzce souvisí s aritmetickou kombinatorikou , kde je předmětem studia vztah podmnožiny oboru (a nikoli pouze skupiny, jako zde) se dvěma operacemi najednou - sčítáním a násobením.
Problematikou reprezentace čísel pomocí součtů prvků z malého počtu daných množin se zabývali matematici již od starověku. Klasickými příklady jsou problémy reprezentovatelnosti libovolného čísla součtem čtyř čtverců ( Lagrangeova věta o součtu čtyř čtverců ) nebo jakéhokoli sudého čísla většího než tři součtem dvou prvočísel ( Goldbachův problém ). Označíme-li množinou všech druhých mocnin nezáporných čísel, pak z hlediska aditivní kombinatoriky (viz oddíl notace níže) lze Lagrangeův teorém zapsat jako
V průběhu řešení podobných problémů vyvstaly další podobné, s různými sadami, ale podobnými formulacemi. To vše vytvořilo pole matematiky zvané aditivní teorie čísel .
Aditivní kombinatorika by však neměla být brána jako zobecnění nebo rozvoj aditivní teorie čísel - ačkoli problémy této teorie lze pohodlně napsat z hlediska aditivní kombinatoriky, její obecné metody na ně zpravidla nejsou použitelné. Teorie čísel vždy uvažuje množiny zvláštního druhu - prvočísla, druhé mocniny, jiné mocniny, čísla s malým počtem dělitelů atd. Aditivní kombinatorika se snaží porozumět struktuře sčítání jako takové, odvodit co nejobecnější výsledky.
Přesto se první výsledky, které lze v duchu klasifikovat jako aditivně-kombinatorické, zrodily na počátku 20. století právě jako součást teorie čísel (nazývané také kombinatorická teorie čísel). [1] Taková je například Shnirelmanova metoda pro řešení Goldbachovy úlohy (kterou Linnik aplikoval i pro Waringův problém ) - je založena na Shnirelmanově teorému o množině součtů čísel ze dvou libovolných množin, u kterých je známa pouze jejich hustota [2] (poznamenejme, že velmi specifická definice hustoty podle Shnirelmana, která byla použita v této větě, se v aditivní kombinatorice jako předmět pro studium neujala).
Ramseyho teorie, která vznikla v první polovině 20. století , také analyzovala různé představy o strukturovanosti. Výroky Ramseyho teorie se týkají přítomnosti alespoň malého „ostrůvku“ struktury v dosti složitých (co do počtu elementárních částí) objektech. [3]
Ramseyova teorie však neuvažuje podmnožiny, ale oddíly dané množiny (například množinu hran grafu, přirozených čísel nebo část booleanu konečné množiny) a výsledek na struktuře znamená, že jeden z prvků oddílu má strukturu a zpravidla není jasné jakou. Proto nelze nic říci o žádné konkrétní podmnožině.
Dobrým příkladem je van der Waerdenova věta – říká, že pro jakékoli rozdělení přirozených čísel na konečný počet tříd bude mít alespoň jedna z tříd aritmetický průběh (jakékoli dané délky). Přitom je zřejmé, že v každém oddíle existuje třída, ve které je hustota čísel větší než v jiných a intuitivně se zdá, že progrese by měla být v této množině - vždyť zde je nejvíce prvků , tedy nejvíce možností. Je také zřejmé, že největší soubor bude mít kladnou (nenulovou) hustotu. Dokázat však, že absolutně jakákoli nekonečná množina přirozených čísel kladné hustoty obsahuje aritmetickou posloupnost, nelze získat jednoduše pomocí van der Waerdenovy věty – podle ní může být posloupnost v jakékoli třídě, dokonce i v té nejmenší. K prokázání přítomnosti progrese v jakékoli husté množině je třeba zapojit mnohem složitější prostředky – řešení tohoto problému se nazývá Szemerediho věta , která je právě považována za klasický aditivně-kombinatorický výsledek.
Flexibilním nástrojem pro posouzení uspořádání množiny, který sehrál významnou roli i v aditivní teorii čísel, jsou goniometrické součty (součty kořenů jednoty odpovídající číslům množiny). Staly se nástrojem a předmětem studia i v aditivní kombinatorice, protože umožňují poměrně obecné použití.
I Gauss, který jako první zkoumal trigonometrické součty, jejich prostřednictvím objevil souvislost mezi rozložením všech možných rozdílů čísel z dané množiny a množinou samotnou. Gauss zkoumal kvadratické zbytky a zvážil součet
a výstup odhadu druhé mocniny jeho modulu:
Odhad pro tento součet byl získán čistě kombinatoricky z vlastností výrazu pod změnou proměnné . [4] Množina rozdílů tedy poskytla informace o struktuře množiny samotných kvadratických zbytků. V aditivní kombinatorice funguje koncepčně podobný přístup, kdy informace o struktuře této množiny poskytuje již množina, nikoli multimnožina rozdílů (nebo součtů, součinů atd.) prvků z dané množiny. Takový přechod - od multimnožiny k množině - je spojen s přechodem od počtu řešení konkrétní rovnice (například ) k zobrazení čísel v té či oné formě (například ve tvaru ), která je v principu charakteristická pro metodu goniometrických součtů.
Samostatným základem pro vývoj nové vědy o prvkových součtech množin (množin součtů ) byla věta dokázaná Grigory Freimanem o struktuře množin s malým zdvojením (tj. množin, jejichž množina součtů dvou prvků má malá velikost, nebo jednodušeji, součty prvků, které se často shodují) . [5]
Erdős a Szemeredi se zabývali také otázkami o součtech prvků z dané množiny, aniž by zaváděli zvláštní symboliku k označení součtu množin. [6]
Důležitým pojmem v aditivní kombinatorice je množina součtů
pro konečné množiny , kde je skupina. Velikost takového souboru je dána strukturou a vzhledem k provozu . Jestliže a jsou aritmetické posloupnosti, pak to nestačí. A pokud jsou například vybrány náhodně podle Bernoulliho schématu , pak je velmi velké. Mezilehlé případy mezi těmito dvěma případy jsou přesně aditivně-kombinatorní zajímavé.
Struktura sad je navíc zajímavá sama o sobě . Konkrétně od roku 2018 neexistují žádná obecná kritéria (kromě přímého výčtu), která by určovala, zda je daná sada zastoupena ve formě .
Níže uvedená tabulka uvádí teorémy a nerovnice aditivní kombinatoriky týkající se různých charakteristik podmnožin grup. Příkaz zadaný v buňce se vztahuje k charakteristikám uvedeným v jejím řádku a sloupci. Jsou uvedeny pouze některé z nejznámějších těchto teorémů.
Pro stručnost jsou v nadpisech použity následující zkratky:
V buňkách se také používá několik specifických zápisů:
Hustota | OAP | Fourierovy koeficienty | CRU | ||||
Hustota | |||||||
OAP | Szemerediho věta | ||||||
Shnirelmanova nerovnost , Furstenbergova-Sharkozyho věta | Freimanův teorém | ||||||
ve velkém a obsahují dlouhé a. n. [7] [8] |
Plünnecke-Rouge nerovnost | ||||||
Fourierovy koeficienty | Princip neurčitosti [9] | Pokud je , malé, pak obsahuje a. n. délka 3 [10] | Když malý, tak velký | ||||
CRU | Rothova věta | Pokud - a. p., tedy | [jedenáct] | Z poměrů aditivních energií můžeme vyvodit závěry o struktuře souboru [12] | Pokud , pak |
Gowersova norma je zobecněním konceptu Fourierových koeficientů, který vynalezlWilliam Gowersv průběhu dokazování Szémeredyho věty.
Freimanův izomorfismus je zobrazení z podmnožiny jedné skupiny do podmnožiny jiné, které zachovává vztah rovnosti součtů daného počtu prvků množiny.
Konečná množina reálných čísel se nazývá konvexní posloupnost (nebo konvexní množina) if for , tedy pokud je obrazem segmentu pro nějakou přísně konvexní funkci . [13] Vlastnosti takových množin jsou široce studovány v aditivní kombinatorice. [14] [15] [16] [17] Tento pojem by neměl být zaměňován s konvexní množinou v obvyklém smyslu .
Bohrova množina je malá zdvojená struktura, někdy používaná v důkazech jako oslabená analogie pojmu podprostor. [18] . Je definován jako soubor prvků pole, na kterém mají všechny aditivní znaky z dané rodiny malou hodnotu. Bohrovy množiny obsahují velké zobecněné aritmetické posloupnosti, takže přítomnost posloupností v množině je někdy prokázána přítomností nezbytné Bohrovy množiny v ní.
Téměř periodická funkce je taková funkce, že normaje dostatečně malá pro některéa pro všechny, kde je nějaká množina (například Bohrova množina). Na takových množinách je konstruován jeden z důkazůRothovy věty. [19]
Množina velkých goniometrických součtů (někdy také nazývaných spektrum ) množiny je množina zbytků,pro které má součet(Fourierův koeficient) velký modul . [dvacet]
Disociativní množina je množina, pro kterou jsou lineární kombinace rovné nule, kde, pouze kdyžjsou všechny rovné nule. Zejména to znamená, že součty prvků ze dvou různých podmnožin jsou vždy různé [20] . Disociativita může být viděna jako analogie lineární nezávislosti přes.
Navzdory existenci mocných a složitých metod pro studium teorémů aditivní kombinatoriky se samozřejmě některé techniky a úkoly hodí k elementárnímu popisu. Z Cauchyho nerovnosti jsou odvozeny vlastnosti aditivní energie , které platí téměř univerzálně. Obecně elementární přístup často analyzuje počet řešení určitých rovnic. Často se také používá střední argument - například při rozkladu počtu řešení rovnice součtem počtu řešení pro konkrétní hodnotu jedné proměnné. [21]
Elementárními metodami lze dokázat Rothovu větu [22] a Cauchy-Davenportovu větu [23] .
Mnoho důkazů získaných jinými metodami však nemá žádné elementární analogie.
Jedním z nejikoničtějších kombinatorických důkazů aditivní kombinatoriky je první důkaz Szemeredyho věty [24] , který se objevil - v něm Szemeredy formuloval a použil tzv. lemma regularity , týkající se čisté teorie grafů . Grafové analogie se používají i při dokazování speciálních verzí Plünnecke-Rougeovy nerovnosti nebo odhadů typu Balogh-Semeredi-Gowers [25] .
Algebraické metody v aditivní kombinatorice využívají vlastnosti polynomů, které jsou stavěny na základě určitých množin. Stupně takových polynomů zpravidla závisí na velikostech studovaných množin a množina kořenů polynomů může poskytovat tu či onu informaci o součtech, průsečících atd. původních množin.
Příkladem nástroje pro aplikaci takové metody je kombinatorická nulová věta . S ním lze dokázat Cauchyho-Davenportovu větu a některá její zobecnění . [23]
Další aplikace algebraické metody lze nalézt v důkazech Rothovy věty pro určité grupy speciální formy [26] [27] [28] nebo při odhadu velikosti průniků posuvů multiplikativních podgrup polí a dokazování Waringova problému pro a prvočíslo (k tomu se používá zejména Stepanovova metoda ). ). [29]
Hlavním analytickým nástrojem v aditivní kombinatorice jsou Fourierovy koeficienty . Toto je kvůli úzkému spojení mezi operací brát Fourier koeficient a operací konvoluce funkcí . Fourierovy koeficienty se používají od prvního důkazu Rothovy věty. [30] Jejich zobecněním je Gowersova norma, jejíž věda se také nazývá Fourierova analýza vyššího řádu. [dvacet]
Na příkladu Fourierových koeficientů (zejména jejich aplikace na důkaz Rothovy věty) je nejlépe ilustrován tzv. iterační argument, kdy se úvaha o libovolné množině dělí na dva případy – kdy množina nemá velké (ve vztahu k velikosti množiny) Fourierovy koeficienty a kdy. V prvním případě lze přímo využít vlastnosti Fourierových koeficientů a ve druhém lze najít podstrukturu množiny s vyšší hustotou v nekonečné aritmetické posloupnosti a s tak vyšší hustotou, že počet takových možné kroky do dosažení mezní hustoty budou omezeny hodnotou závisející na celkové hustotě počáteční sady. To odhaluje myšlenku rozdělení na případ pseudonáhodné množiny a množiny s nějakou globální strukturou. Tato myšlenka se odráží i v jiných metodách. [1] [10]
Dalším analytickým přístupem je studium téměř periodicity funkcí spojených s charakteristickými funkcemi studovaných množin. [31]
Ergodický přístup zahrnuje aplikaci výsledků z teorie dynamických systémů na problémy v aditivní kombinatorice . Tento přístup poprvé aplikoval Hillel Furstenberg na Szemeredyho větu [32] , ale brzy se ukázalo, že jej lze zobecnit na mnohem širší okruh problémů.
Teorie dynamických systémů často umožňuje dokázat výsledky, které nelze přeformulovat jinými metodami, ale není schopna poskytnout žádné kvantitativní odhady (např. odhady hustoty množiny ve Szemeredyho teorému). [33]
Některé další oblasti mají aplikace pro danou vědu: