Kombinatoriskt schema

Teorin om kombinatoriska scheman är en del av kombinatoriken (en gren av matematiken ) som överväger existensen, konstruktionen och egenskaperna hos familjer av ändliga mängder vars struktur uppfyller generaliserade begrepp om jämvikt och/eller symmetri . Dessa begrepp är inte exakt definierade, så ett brett spektrum av objekt kan förstås som kombinatoriska scheman. Så i ett fall kan kombinatoriska scheman representera skärningspunkter mellan uppsättningar av tal, som i flödesscheman , och i ett annat fall kan de återspegla arrangemanget av element i Sudoku .

Teorin om kombinatoriska scheman kan användas vid design av experiment . Några av de grundläggande kombinatoriska scheman ges i Ronald Fishers arbete med teorin om biologiska experiment. Kombinatoriska scheman kan nu hittas inom ett brett spektrum av områden, inklusive finit geometri , turneringsplanering , lotterier , matematisk biologi , algoritmdesign och analys , datornätverk , grupptestning och kryptografi [1] .

Definition

Beteckna - uppsättningen element . Överväg delmängder av denna uppsättning . Varje delmängd kallas ett block, och antalet uppsättningselement i det kallas blockets volym och betecknas som . Låt vara antalet delmängder som innehåller detta element. Antalet repetitioner (oordnade par) betecknas som . Sedan bildar uppsättningen av block ett kombinatoriskt schema (eller blockschema) med parametrar [2] .

Exempel

Om det finns n personer, är det möjligt att bilda uppsättningar från dem så att varje person tillhör minst en uppsättning, varje par tillhör exakt en uppsättning, varannan uppsättning har bara en person i skärningspunkten, och ingen av uppsättningarna består av av alla människor, alla människor minus en eller exakt en person? Svaret beror på n .

Svaret är bara ja om n har formen q 2 + q + 1. Det är svårare att bevisa att lösningen finns om q är en primpotens . Det finns en gissning om att det inte finns några andra lösningar. Det har bevisats att om det finns en lösning för q som är kongruenta med 1 eller 2 modulo 4, så är q summan av två perfekta kvadrater . Detta resultat, Brook-Reiser-Chowl-satsen , bevisades genom en kombination av konstruktionsmetoder baserade på finita fält och kvadratiska former .

När en sådan struktur existerar kallas det ett ändligt projektivt plan . Detta visar hur teorin om finita geometrier och kombinatorik skär varandra. I fallet q  = 2 kallas det projektiva planet för Fano-planet .

Historik

Kombinatoriska scheman har varit kända sedan antiken i form av Lo Shu-torget , som var en tidig version av det magiska torget . Kombinatoriska scheman har utvecklats med kombinatorikens utveckling sedan 1700-talet, till exempel i form av latinska rutor på 1700-talet och Steiner-system på 1800-talet. Kombinatoriska upplägg är också populära i underhållande matematik , som Kirkmans skolflickproblem (1850), och praktiska problem som att schemalägga round robin-turneringar (lösning publicerad på 1880-talet). På 1900-talet användes kombinatoriska scheman för design av experiment , ändliga geometrier och relationsscheman, och ledde till uppkomsten av algebraisk statistik .

Grundläggande kombinatoriska scheman

Den klassiska kärnan i ämnet kombinatoriska scheman är uppbyggd kring balanserad ofullständig blockdesign (sv: Balanced Incomplete Block Design, BIBD), matriser och Hadamard-scheman , symmetriska BIBD , latinska kvadrater , lösbar BIBD , differensuppsättningar och parvis balanserade scheman (sv: Pairwise Balanced Design , PBD) [3] . Andra kombinatoriska scheman är relaterade till eller baserade på de scheman som anges.

Vi säger att två latinska kvadrater av ordningen n är ortogonala om mängden av alla ordnade par som består av motsvarande element av två kvadrater består av n 2 olika par (det vill säga alla möjliga ordnade par förekommer). En uppsättning latinska rutor av samma ordning bildar en uppsättning ömsesidigt ortogonala latinska rutor (en: Mutually Orthogonal Latin Squares, MOLS) om något par latinska rutor i uppsättningen är ortogonala. Det kan vara högst n  − 1 rutor i en sådan uppsättning kvadrater av ordningen n . Mängden n  − 1 MOLS kvadrater av ordningen n kan användas för att konstruera ett projektivt plan av ordningen n (och vice versa). Om D är en differensmängd och g tillhör G , så är det också en differensmängd och kallas en translation av mängden D . Mängden överföringar av skillnadsmängden D bildar ett symmetriskt blockdiagram . Ett sådant schema har v- element och v -block. Varje block i schemat består av k punkter, varje punkt finns i k block. Alla två block har exakt samma element, och två valfria punkter visas tillsammans i block. Detta schema SBIBD kallas utvecklingen av uppsättningen D [7] . I synnerhet om , bildar skillnadsmängden ett projektivt plan . Till exempel är en skillnadsmängd (7,3,1) över en grupp ( en Abelisk grupp med additiv notation) en delmängd av {1,2,4}. Utvecklingen av denna skillnadsuppsättning ger Fano-planet . Eftersom varje skillnadsuppsättning ger SBIBD, måste parameteruppsättningen uppfylla Brook-Reiser-Chowl-satsen , men inte varje SBIBD-schema ger en skillnadsuppsättning. Givet en Hadamard-matris av ordningen 4a i standardiserad form, ta bort den första raden och den första kolumnen och ersätt sedan alla −1 med 0. Den resulterande 0–1-matrisen M är incidensmatrisen för en symmetrisk krets, kallad en Hadamard 2-krets [8] . Denna konstruktion är reversibel, så att incidensmatrisen för en symmetrisk 2-krets med dessa parametrar kan användas för att erhålla en Hadamard-matris av storleksordningen 4a . I fallet a  = 2 får vi det redan bekanta Fano-planet (som ett Hadamard 2-schema). Fishers ojämlikhet för PBD-scheman är uppfylld [9] — för alla icke-triviala PBD-scheman, . Detta resultat generaliserar den berömda de Bruijn-Erdős-satsen - för alla PBD-scheman med , som inte har block av storlek 1 eller v , är sant , och likheten gäller om och endast om schemat är ett projektivt plan eller nästan en kärve [10] .

Andra kombinatoriska scheman

Handbook of Combinatorial Designs av Colbourne och Dinitz [11] innehåller bland annat 65 kapitel om andra kombinatoriska mönster än de som ges ovan. En dellista ges nedan.

  1. Varje element visas en gång med en multiplicitet av 1 (1 instans i multisetet) exakt i block, och med en multiplicitet av 2 exakt i block.
  2. Varje par av olika element visas en gång (med hänsyn till mångfalden). Det vill säga, om m vb är multipliciteten av element v i block b , då för vilket par av olika element v och w som helst .
Till exempel är ett av de två icke-isomorfa scheman BTD(4,8;2,3,8;4,6) (kolumner fungerar som block) [12]
ett ett ett 2 2 3 ett ett
ett ett ett 2 2 3 2 2
2 3 fyra 3 fyra fyra 3 3
2 3 fyra 3 fyra fyra fyra fyra
Incidensmatrisen för ett BTD-schema (vars element är multipliciteter av element i block) kan användas för att bilda ternära felkorrigerande koder på ett liknande sätt som konstruktionen av binära koder från incidensmatriserna för BIBD-scheman [13] .
  1. varje element av V visas exakt en gång i varje kolumn
  2. varje element i mängden V visas högst två gånger i varje rad.
BTD(3) Schema Exempel
16 3 5 2 3 4 5 24
25 4 6 fjorton 13 3 6
3 4 12 5 6 26 femton
Kolumnerna i schemat BTD( n ) ger en 1-faktorisering av hela grafen med 2 n hörn, K 2n [14] . BTD( n )-scheman kan användas för att schemalägga round robin-turneringar - rader representerar platser, kolumner representerar turer (rundor, cirklar), och bordsposter definierar spelare eller lag. En frekvenskvadrat F 1 av ordningen n över en mängd { s 1 , s 2 , ..., s m } med en frekvensvektor och en frekvenskvadrat F 2 också av ordningen n över en mängd med en frekvensvektor är ortogonala om någon finns ordnat par ( s i , t j ) visas exakt en gång när F 1 och F 2 överlappar varandra. Varje affint utrymme AG( n ,3) ger ett exempel på ett HTS-schema, sådana scheman kallas affint HTS. Icke-affina HTS-system finns också. Antalet poäng i HTS-schemat är 3 m för något heltal . Icke-affina HTS-scheman finns för alla och existerar inte för eller 3 [15] . Alla Steiner-trippelsystem är likvärdiga med en Steiner -kvasigrupp ( idempotent , kommutativ och gäller för alla x och y ). Systemet med Hall-trippel är ekvivalent med en Steiner-kvasigrupp med den fördelande egenskapen , det vill säga det gäller för alla a,x,y i kvasigruppen [16] .
  1. Varje arraycell är antingen tom eller innehåller ett oordnat par från S ,
  2. Varje tecken visas exakt en gång i varje rad och varje kolumn i arrayen,
  3. Varje oordnat par visas i högst en arraycell.
Schemaexempel H(4,6)
0 4   13 25
2 3 fjorton 0 5  
  3 5 24 0 1
femton 0 2   3 4
H(2 n  − 1, 2 n ) är Rums kvadrat med sidan 2 n  − 1, så Howells scheman generaliserar begreppet Rums kvadrater. Symbolparen i cellerna i Howell-diagrammet kan ses som kanter s av en vanlig graf med 2n hörn, vilket kallas huvudgrafen i Howell-diagrammet. Howells cykliska scheman används som Howells rörelser (spelavslutande schema) i dubbelbrygga- turneringar . Raderna i diagrammet representerar rundorna (cirklarna), kolumnerna representerar rutorna (med erbjudanden förberedda i förväg, se "Bron - förberedelser för spelet" ), och diagonalerna representerar tabellerna [17] . {1,2,3,4,7} {1,2,5,6,7} {3,4,5,6,7}. Lottoschemat modellerar vilket lotteri som helst med följande regler: En spelare köper lotter som innehåller k nummer, valda från en uppsättning som innehåller n nummer. Vid någon tidpunkt stannar biljettförsäljningen och en slumpmässig uppsättning av p- nummer som ingår i den ursprungliga uppsättningen av n nummer väljs. Dessa är de vinnande siffrorna . Om den sålda biljetten innehåller t eller fler vinnande nummer, ges priset till biljettinnehavaren. Ju fler matcher, desto högre vinst. Siffran L( n , k , p , t ) är av intresse för både spelare och forskare eftersom det representerar det minsta antalet biljetter som måste köpas för att garantera en vinst. Det ungerska lotteriet är ett lottosystem (90,5,5, t ) och det är känt att L(90,5,5,2) = 100. Lotterier med parametrar (49,6,6, t ) är populära överallt världen och är kända , att L(49,6,6,2) = 19. I allmänhet är dessa siffror svåra att beräkna och förblir okända [19] . Den geometriska konstruktionen av ett av dessa system ges i artikeln " Transylvanian Lottery ". (0.1.2) (1.0.3) (2.1.3) (0.2.3) Alla system av trippel kan konverteras till ett Mendelssohn-trippelsystem genom att ersätta den oordnade trippeln { a , b , c } med ett par ordnade trippel ( a , b , c ) och ( a , c , b ), men det omvända är inte sant, som exemplet visar. Låt ( Q ,∗) vara en idempotent semisymmetrisk kvasigrupp , dvs. x ∗ x = x (idempotent) och x ∗ ( y ∗ x ) = y (semisymmetrisk) gäller i den för alla x , y från Q . Låt . Sedan är ett system av Mendelssohn tredubblar MTS(| Q |,1). Denna konstruktion är reversibel [20] . Alla kvasisymmetriska blockdiagram genererar en starkt regelbunden graf (som dess blockgraf ), men inte alla SRG-kretsar genereras på detta sätt [23] . Incidensmatrisen för en kvasisymmetrisk krets 2- med k ≡ x ≡ y (mod 2) bildar en binär självortogonal kod [24] . med en grad som inte överstiger t är det lika med medelvärdet av f över hela sfären (det vill säga integralen av funktionen f dividerat med sfärens area).
  1. varje rad är en permutation av n tecken
  2. för två distinkta tecken a och b , och för varje nummer m från 1 till k , finns det högst en rad där b är m steg till höger om a .
Om r = n och k = 1, kallas scheman toskanska kvadrater , medan de i fallet med r = n och k = n -1 kallas florentinska kvadrater . Ett romerskt torg är ett toskanskt torg som också är ett latinskt torg (sådana torg är också kända som radfullständiga latinska torg ). Vatikanstorget är ett florentinskt torg, som också är ett latinskt torg. Ett exempel på en toskansk 1-ruta på 7 tecken som inte är en 2-ruta [25] :
6 ett 5 2 fyra 3 7
2 6 3 5 fyra 7 ett
5 7 2 3 ett fyra 6
fyra 2 5 ett 6 7 3
3 6 2 ett 7 fyra 5
ett 3 2 7 5 6 fyra
7 6 5 3 fyra ett 2
En toskansk kvadrat på n symboler motsvarar en nedbrytning av kompletta grafer med n hörn till n Hamiltonska orienterade banor [26] . Observera att i exemplet 3-{12,{4,6},1)-scheman på uppsättningen X = {1,2,...,12}, visas vissa par fyra gånger (till exempel, paret {1, 2}), medan andra visas fem gånger (till exempel paret {6,12}) [28] . 1 2 3 4 5 6 1 2 7 8 1 2 9 11 1 2 10 12 3 5 7 8 3 5 9 11 3 5 10 12 4 6 7 8 4 6 9 11 4 6 10 12 7 8 9 10 11 12 2 3 8 9 2 3 10 7 2 3 11 12 4 1 8 9 4 1 10 7 4 1 11 12 5 6 8 9 5 6 10 7 5 6 11 12                              3 4 9 10 3 4 11 8 3 4 7 12 5 2 9 10 5 2 11 8 5 2 7 12 1 6 9 10 1 6 11 8 1 6 7 12                              4 5 10 11 4 5 7 9 4 5 8 12 1 3 10 11 1 3 7 9 1 3 8 12 2 6 10 11 2 6 7 9 2 6 8 12                              5 1 11 7 5 1 8 10 5 1 9 12 2 4 11 7 2 4 8 10 2 4 9 12 3 6 11 7 3 6 8 10 3 6 9 12
ett 2 3 fyra 5 6 7
2 3 fyra 5 6 7 ett
3 fyra 5 6 7 ett 2
5 6 7 ett 2 3 fyra
Sju block (kolumner) bildar ett biplan av ordning 2 (symmetriskt schema (7,4,2)).

Anteckningar

  1. Stinson, 2003 , sid. ett.
  2. 1 2 3 Rybnikov, 1972 , sid. 130.
  3. Stinson, 2003 , sid. IX.
  4. Beth, Jungnickel, Lenz, 1999 , sid. 40 Exempel 5.8.
  5. Ryser, 1963 , sid. 52 Sats 3.1.
  6. Om G är en abelsk grupp (eller skrivs med en additionsoperation) har definitionen formen d 1 –d 2 , från vilken termen skillnadsmängd uppstod .
  7. Beth, Jungnickel, Lenz, 1999 , sid. 262 Sats 1.6.
  8. Stinson, 2003 , sid. 74 Sats 4.5.
  9. Stinson, 2003 , sid. 193 Sats 8.20.
  10. Stinson, 2003 , sid. 183, sats 8.5.
  11. Colbourn, Dinitz, 2007 .
  12. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 331 Exempel 2.2.
  13. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 331 Anmärkning 2.8.
  14. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 333, Anmärkning 3.3.
  15. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 496 Sats 28.5.
  16. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 497 Sats 28.15.
  17. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 503 Anmärkning 29.38.
  18. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 512 Exempel 32.4.
  19. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 512, Anmärkning 32.3.
  20. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 530 Sats 35,15.
  21. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 577 Sats 47,15.
  22. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 578-579.
  23. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 579 Sats 48.10.
  24. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 580 Lemma 48,22.
  25. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 652 Exempel 62.4.
  26. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 655 Sats 62,24.
  27. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 657.
  28. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 658 Exempel 63.5.
  29. Colbourn, Dinitz, 2007 , sid. 669 Anmärkning 65.3.

Litteratur