Теорема Семереди — Троттера
Теорема Семереди — Троттера — результат комбинаторной геометрии. Теорема утверждает, что если даны n точек и m прямых на плоскости, число инциденций (т.е. число пар точка/прямая, в которых точка лежит на прямой) равно
и эта граница не может быть улучшена.
Эквивалентная формулировка теоремы следующая. Если задано n точек и целое число k > 2, число прямых, проходящих по меньшей мере через k точек, равно
Первоначальное доказательство Семереди и Троттера [1] было сложным и использовало комбинаторную технику, известную как разделение ячеек. Позднее Секей обнаружил существенно более простое доказательство, использующее неравенство числа пересечений для графов [2] (см. ниже).
Теорема Семереди – Троттера имеет несколько следствий, включая теорему Бека в геометрии инцидентности.
Доказательство первой формулировки
Мы можем отбросить прямые, содержащие две и менее точек, так как они могут дать максимум 2m инциденций. Таким образом, мы можем считать, что любая прямая содержит по меньшей мере три точки.
Если прямая содержит k точек, то она содержит k − 1 отрезков, соединяющих две из n точек. В частности, прямая будет содержать по меньшей мере k/2 таких отрезков, поскольку мы предположили k ≥ 3. Складывая все такие инциденции по всем m прямым, мы получим, что число отрезков, полученных таким образом, по меньшей мере равно половине числа всех инциденций. Если мы обозначим через e число таких отрезков, достаточно показать, что
Рассмотрим теперь граф, образованный n точками в качестве вершин и e отрезками в качестве рёбер. Поскольку каждый отрезок лежит на какой-либо из m прямых и две прямые пересекаются максимум в одной точке, число пересечений этого графа не превосходит m2. Из неравенства числа пересечений мы заключаем, что либо e ≤ 7.5n, либо m2 ≥ e3 / 33.75n2. В любом случае e ≤ 3.24(nm)2/3 + 7.5n и мы получаем требуемую границу
Доказательство второй формулировки
Поскольку любая пара точек может быть соединена максимум одной прямой, может быть максимум n(n − 1)/2 l прямых, которые могут соединять k или более точек, поскольку k ≥ 2. Эта граница доказывает теорему при малых k (например, если k ≤ C для некоторой абсолютной константы C). Таким образом, имеет смысл рассматривать только случаи, когда k велико, скажем, k ≥ C.
Предположим, что имеется m прямых, каждая из которых содержит по меньшей мере k точек. Эти прямые образуют по меньшей мере mk инциденций, а тогда по первому варианту теоремы Семереди – Троттера мы имеем
и по меньшей мере выполняется одно равенство из или . Третью возможность отбрасываем, поскольку мы предположили, что k велико, так что остаются два первых. Но в обоих случаях после несложных алгебраических выкладок получим , что и требовалось.
Оптимальность
Если не учитывать постоянные множители, граница инциденций Семереди – Троттера не может быть улучшена. Чтобы это увидеть, рассмотрим для любого положительного целого числа N ∈ Z+ множество точек целочисленной решётки
и набор прямых
Ясно, что и . Поскольку каждая прямая инцидентна N точкам (т.е. один раз для каждого ), число инциденций равно , что соответствует верхней границе[3].
Обобщение для Rd
Обобщение этого результата для произвольной размерностиRd было найдено Агавалом и Ароновым[4]. Если дано множество S, содержащее n точек, и множество H, содержащее m гиперплоскостей, число инциденций точек из S и гиперплоскостей из H ограничено сверху числом
Эквивалентно, число гиперплоскостей из H, содержащих k и более точек, ограничено сверху числом
Построение Эдельбруннера показывает, что граница асимптотически оптимальна[5].
Шоймоши и Тао получили почти точную верхнюю границу для числа инциденций между точками и алгебраическими многообразиями в пространствах высокой размерности. Их доказательство использует полиномиальную теорему о сэндвиче[6].
Приложения
Теорема Семереди-Троттера находит множество приложений в аддитивной[7][8][9] и арифметической комбинаторике (например, для доказательства теоремы сумм-произведений[10]).
Примечания
- Szemerédi, Trotter, 1983, с. 381–392.
- Székely, 1997, с. 353–358.
- Tao, 2011.
- Agarwal, Aronov, 1992, с. 359–369.
- Edelsbrunner, 1987.
- Solymosi, Tao, 2012.
- Tomasz Schoen, Ilya Shkredov, «On Sumsets of Convex Sets»
- A. Iosevich, S. Konyagin, M. Rudnev, and V. Ten, «On combinatorial complexity of convex sequences», July 19, 2004
- Elekes, Nathanson, Ruzsa, «Convexity and sumsets» (недоступная ссылка). Дата обращения: 19 ноября 2018. Архивировано 12 июня 2018 года.
- G. Elekes, On the number of sums and products, Acta Arith. 81 (1997), 365–367.
Литература
- Endre Szemerédi, William T. Trotter. Extremal problems in discrete geometry // Combinatorica. — 1983. — Т. 3, вып. 3–4. — С. 381–392. — doi:10.1007/BF02579194.
- László A. Székely. Crossing numbers and hard Erdős problems in discrete geometry // Combinatorics, Probability and Computing. — 1997. — Т. 6, вып. 3. — С. 353–358. — doi:10.1017/S0963548397002976.
- Terence Tao. An incidence theorem in higher dimensions. — 2011.
- Pankaj Agarwal, Boris Aronov. Counting facets and incidences // Discrete and Computational Geometry. — Springer, 1992. — Т. 7, вып. 1. — С. 359–369. — doi:10.1007/BF02187848.
- Herbert Edelsbrunner. 6.5 Lower bounds for many cells // Algorithms in Combinatorial Geometry. — Springer-Verlag, 1987. — ISBN 3-540-13722-X.
- J. Solymosi, Terence Tao. An incidence theorem in higher dimensions // Discrete and Computational Geometry. — 2012. — Т. 48, вып. 2. — doi:10.1007/s00454-012-9420-x.
Дополнительная литература
- Фёдор Нилов, Александр Полянский, Никита Полянский,. 26-я летняя конференция международного математического Турнира городов (02.08.2014-11.08.2014). — Калининград-Ушаково, 2014.