Aritmetická kombinatorika je interdisciplinární oblast matematiky, která studuje vztah mezi strukturami vytvořenými v poli (vzácněji v kruhu ) operací sčítání a operace násobení.
Přístup ke konceptu struktury je zde podobný aditivní kombinatorice a je založen především na velikosti množiny součtů (nebo součinů), aditivní (nebo multiplikativní) energie a jejich různých kombinacích. Jako těleso se obvykle uvažují reálná nebo racionální čísla ( , ) a zbytky modulo prvočíslo ( ).
Aditivní a aritmetická kombinatorika jsou mladé, aktivně se rozvíjející vědy. Jejich metody a způsoby zadávání problémů jsou velmi podobné, proto je aditivní kombinatorika zpravidla považována za součást aritmetiky. [1] Tento článek popisuje pouze témata, která obsahují obě operace s polem v té či oné podobě nebo jejich inverze, to znamená, která nepatří do čistě aditivní kombinatoriky (i když ta tvoří poměrně významnou část aritmetiky).
Kromě toho se zde neřeší otázky aditivně-kombinatorických vlastností multiplikativních podskupin a příbuzných množin, protože ačkoli jejich definice souvisí s násobením, jejich multiplikativní struktura je pevně fixována a kombinatorická složka této vědy implikuje jedno nebo druhé obecnost ohledně stupně struktury (alespoň s parametrem působícím jako konstanta).
Vývoj aritmetické kombinatoriky byl do značné míry motivován objevením se věty o součtu , která hovoří o nezbytném růstu množin od aplikace buď kombinatorického sčítání nebo násobení, tedy jedné ze dvou operací:
Z toho vyplývá, že kombinace těchto operací s sebou nese i růst: if , then
,a přidání konečného počtu prvků ovlivňuje růst jen okrajově. Vzhledem k tomu, že teorém o součtu byl dokázán pouze ve slabé formě (daleko od hypotézy), někteří vědci se začali zajímat o získávání tvrzení tohoto druhu, která by vyplývala ze silnějších forem hypotézy, než jsou ty dokázané, a následně o obecné studium vztah mezi výsledky různých kombinací dvou operačních polí.
Například Erdős-Szemeredyův součinový dohad uvádí, že [2]
Z této hypotézy by vyplývalo, že , ale pro množiny lze takový výsledek snadno získat i bez ní jednoduchým kombinatorickým uvažováním. [3]
Tato část používá k popisu výsledků konvenční notaci (vysvětleno v O-notaci ):
Nechť racionální výraz nad množinami je jakákoli kombinace aritmetických operací ( ) mezi nimi. Operací se zde rozumí aplikace podle principu více součtů:
Například následující množiny jsou racionálními výrazy nad :
Analogicky s aditivní energií, která se často používá k odhadu množiny součtů, je vhodné uvažovat počet řešení symetrické rovnice s racionálním výrazem. Například,
[čtyři]Podstatnou část problémů aritmetické kombinatoriky lze vyjádřit následující formulací otázky.
Nechť — nějaké pole (buď nekonečné nebo dostatečně velké z dané rodiny konečných), — racionální výrazy a alespoň jeden z nich používá nebo a alespoň jeden nebo . Nechte také pro některé a nastavuje vztahy Otázka Jak závisí množina možných hodnot na ? Poznámka Pokud je pole konečné, pak je vhodné množinu doplnit o parametr , kde . [5] |
Například hypotéza součtu-součinu říká, že když , , , pak (zde ).
Zpravidla se ukazuje, že se odvozují lineární vztahy mezi veličinami , tedy nerovnosti mezi součiny a mocniny různých veličin .
Některé výsledkyO zobecnění součtů a součinů:
[6] [7] [8] ; [9] ; [deset] [jedenáct]O zobecnění energií:
Myšlenka vyhodnocování racionálních výrazů, které kombinují různé operace, vychází ze skutečnosti, že použití aditivní operace na množinu ji zbavuje její multiplikativní struktury. Stejný princip lze rozšířit i na případ, kdy se množina nemění složitou kombinatorickou operací sčítání prvek po prvku, ale obyčejným aditivním posunem - přidáním jednoho čísla ke všem prvkům množiny. Očekává se, že se tím ve většině případů změní multiplikativní struktura množiny (například když , tak u některých pro všechny nebo téměř všechny ). [čtrnáct]
Otázka Pokud jde o fixní (ale libovolné) multiplikativní vlastnosti (velikost množiny produktů a multiplikační energie) množin na sobě závisí . A také jaké jsou společné multiplikativní vlastnosti množin pro různé (například existují netriviální odhady na )? |
Myšlenka kombinace sčítání a násobení přirozeně vede k úvahám o polynomech , tedy stejných racionálních výrazech, ve kterých se však jedna proměnná může objevit vícekrát (a tedy mít složitější vliv na strukturu výsledné množiny) . Ukazuje se, že v tomto případě pro zajištění nepodmíněného růstu není nutné použít tři kopie množiny (jako ve výrazu ), ale stačí zvolit požadovaný polynom ve dvou proměnných. [22] Bourgain si poprvé všiml takové vlastnosti u polynomu . [23]
Analogicky s teorémem součtu o součinu jsou také studovány dolní meze pro libovolné polynomy .
Některé výsledkyBourgainův první výsledek: pokud . Pak pro některé je to pravda
[24]Při porovnávání a má velký význam degenerace polynomu . Pokud je degenerovaná, to znamená, že ji reprezentujeme jako , kde jsou polynomy a , pak se oba součty mohou ukázat jako malé, pokud je aritmetická progrese, protože . Proto jsou výsledky formulovány pouze pro nedegenerované polynomy:
Existují výsledky o součinových množinách množiny matic z jedné nebo druhé maticové podskupiny (například nebo Heisenbergova grupa ). Přísně vzato se tyto výsledky týkají jediné grupové operace ( násobení matic ), takže je lze označit jako aditivní kombinatoriku . Ale slučování v rámci definice této operace jak sčítání a násobení prvků [27] , tak i nekomutativnost z toho vyplývající, činí její vlastnosti velmi atypickými ve srovnání s běžnými grupovými operacemi, jako je sčítání reálných čísel.
Například množina matic může často růst tak, že se sama násobí za velmi jednoduchých podmínek (velká velikost, omezení na jednotlivé prvky nebo odlišnost od podskupin).
Některé výsledkyVětšina výsledků o skupinách matic, když se jedná o libovolné sady matic, analyzuje hodnotu , nikoli . Nejedná se o náhodu, ale o technickou nutnost spojenou s nekomutativností. [28]
K odvození speciální formy Zarembovy domněnky lze použít analytické metody pro studium růstu ve skupině a Chevalleyových skupinách . [33] [34]