Aritmetická kombinatorika

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 ( ).

Nejednoznačnost terminologie a předmětu článku

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).

Motivace

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]

Úkoly a výsledky

Tato část používá k popisu výsledků konvenční notaci (vysvětleno v O-notaci ):

Racionální výrazy

Vyjádření otázky

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 :

  • samotné sady ;
  •  je racionální výraz 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 výsledky

O zobecnění součtů a součinů:

[6] [7] [8] ; [9] ; [deset] [jedenáct]

O zobecnění energií:

  • pro any if , then , and for [13]

Směny

Vyjádření otázky

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 )?

Některé výsledky
  • pokud pro jednoduché , pak:

Polynomy

Vyjádření otázky

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 výsledky

Bourgainův 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:

Maticové násobení

Vlastnosti

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 výsledky

Většina 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]

  • if , pak pro množinu matic (leží v Heisenbergově grupe) platí, že , kde [29]
  • let vygeneruje celou skupinu a . Pak [30]
  • (u ostatních skupin je možný podobný odhad v závislosti na rozměru jeho reprezentací ) [31]
  • if a , pak struktura silně souvisí s podskupinami (toto spojení lze vyjádřit pomocí ) [32]
Aplikace

K odvození speciální formy Zarembovy domněnky lze použít analytické metody pro studium růstu ve skupině a Chevalleyových skupinách . [33] [34]

Viz také

Reference

  • Oliver Roche-Newton, Imre Z. Ruzsa, Chun-Yen Shen, Ilja D. Shkredov. Na velikosti sady . - 2018. - arXiv : 1801.10431v1 . 
  • Oliver Roche-Newton, Ilja D. Shkredov. Jestliže je malý, pak je superkvadratický  . - 2019. - arXiv : 1810.10842v2 .
  • Brandon Hanson, Oliver Roche-Newton, Dmitrii Zhelezov. U iterovaných sad produktů se směnami  . - 2018. - arXiv : 1801.07982v1 .
  • Brandon Hanson, Oliver Roche-Newton, Dmitrii Zhelezov. Na iterovaných produktových sestavách se směnami  II . - 2018. - arXiv : math/1806.01697v1 .
  • Audie Warren. O součinech směn v libovolných oborech  . - 2019. - arXiv : 1812.01981v2 .
  • Bryce Kerr, Simon Macourt. Multilineární exponenciální součty s obecnou třídou vah  . - 2019. - arXiv : 1901.00975v2 .
  • Konstantin I. Olmezov, Aliaksei S. Semchankau, Ilja D. Shkredov. Na oblíbené součty a rozdíly sad s drobnými výrobky  . - 2019. - arXiv : 1911.12005v1 .
  • Brandon Hanson, Oliver Roche-Newton, Misha Rudnev. Vyšší konvexnost a množiny iterovaných součtů  . - 2020. - arXiv : 2005.00125v1 .
  • Ilja D. Shkredov. Několik poznámek k produktům sad v Heisenbergově skupině a v afinní  skupině . - 2019. - arXiv : 1907.03357 .
  • Míša Rudněv, Ilja D. Shkredov. Na rychlost růstu v , afinní skupina a implikace typu součtu produktu  . - 2019. - arXiv : 1812.01671v3 .
  • H.A. Helfgott. Růst v (anglicky) . - 2009. - arXiv : 0807.2027 . 
  • Nikolay G. Moshchevitin, Ilja D. Shkredov. Na modulární formě Zarembova dohadu  . - 2019. - arXiv : 1911.07487 .
  • Ilja D. Shkredov. Růst ve skupinách Chevalley relativně k parabolickým podskupinám a některým  aplikacím . - 2020. - arXiv : 2003.12785 .

Poznámky

  1. Opačně to neplatí – protože slovo „additiva“ je tvořeno z angličtiny.  sčítání (sčítání), jeho použití rozhodně není vhodné k předmětu tohoto článku. Například Green v recenzi na Taovu monografii , když začíná hovořit o větě o součtu součinu, zmiňuje, že se odchyluje od definice aditivní kombinatoriky („I když se vyhýbám definici aditivní kombinatoriky ... ").
  2. Erdös, Szemerédi, 1983 .
  3. Roche-Newton, Ruzsa, Shen, Shkredov, 2018 , poznámka po větě 1.5
  4. Označení , používané dále, není obecně přijímáno.
  5. Viz vysvětlení na příkladu věty o součinu v Garaev, 2010 (věta 1.1 a komentář bezprostředně za ní)
  6. Balog, 2011 .
  7. Výňatek ze zprávy S. V. Konyagina
  8. Shkredov, Zhelezov, 2016 , následek 2
  9. , podrobnosti viz Roche-Newton, Ruzsa, Shen, Shkredov, 2018
  10. , podrobnosti viz Roche-Newton, Shkredov, 2019
  11. Balog, Roche-Newton, Zhelezov, 2016 .
  12. Olmezov, Semchankau, Shkredov, 2019 , věta 12
  13. Kerr, Macourt, 2019 , důsledek 2.11
  14. Opak, obecně řečeno, není pravda: multiplikativní posun nesmí žádným způsobem změnit aditivní vlastnosti množiny. Jestliže  je aritmetická progrese a , pak pro libovolné . Někdy se ale ukáže, že se používají podobné myšlenky - viz například Lemma 2 v Glibichuk, 2006 , kde při dokazování analogie Waringova problému v konečném poli je podobné tvrzení formulováno ve smyslu společné aditivní energie o existenci potřebného posunu.
  15. Stevens, de Zeeuw, 2017 , vyšetřování 10
  16. Warren, 2019 .
  17. Shkredov, 2013 , důsledek 5.8
  18. Hanson, Roche-Newton, Zhelezov (I), 2018 .
  19. Shkredov, 2017 , věta 12
  20. Hanson, Roche-Newton, Rudnev, 2020 , věta 4.1
  21. Hanson, Roche-Newton, Zhelezov (II), 2018 .
  22. Polynomy, tak či onak spojené s růstem množiny, se v literatuře často nazývají expandéry.
  23. Viz část 5.2 v Garaev, 2010
  24. Bourgain, 2005 , věta 2.1 (viz také ruská verze v Garaev, 2010 , věta 5.2)
  25. Koh, Mojarrad, Pham, Valculescu, 2018 , věta 1.10
  26. Vu, 2007 , Věta 1.2
  27. Libovolný prvek součinu matic je vlastně polynom v prvcích násobených matic
  28. Viz poznámka v Helfgott, 2009 , poznámka pod čarou na str. 3, stejně jako skutečnost, že Plünnecke-Rougeova nerovnost v nekomutativních skupinách má zvláštní podobu.
  29. Shkredov, 2019 , věta 2
  30. Rudnev, Shkredov, 2019 , věta 2
  31. Viz Nikolov, Pyber, 2007 , věta 2 a poznámka v Helfgott, 2009 na začátku oddílu 1.3.1
  32. Helfgott, 2009 , Věta 1.1
  33. Moshchevitin, Shkredov, 2019 .
  34. Shkredov, 2020 .