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塞邁雷迪正則性引理
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[[File:Epsilon regular partition.png|thumb|Szemerédi 正規引理的圖示]] [[數學]]上,'''[[塞迈雷迪·安德烈|塞邁雷迪]]正則性引理'''(Szemerédi regularity lemma)斷言,給定任意一個足夠大的[[图 (数学)|圖]],都可以將其頂點集劃分成若干個差不多一樣大的子集,使得幾乎每兩個不同的子集之間的邊,都具有隨機[[二部圖]]的性質。塞邁雷迪於 1975 年引入了該引理較弱的版本,其只適用於二部圖,用作證明[[塞邁雷迪定理]]<ref>{{Citation | last1=Szemerédi | first1=Endre | author1-link=塞迈雷迪·安德烈 | title=On sets of integers containing no k elements in arithmetic progression | url=http://matwbn.icm.edu.pl/tresc.php?wyd=6&tom=27 | mr=0369312 | year=1975 | journal=Polska Akademia Nauk. Instytut Matematyczny. Acta Arithmetica | volume=27 | pages=199–245 | access-date=2018-12-02 | archive-url=https://web.archive.org/web/20120205024747/http://matwbn.icm.edu.pl/tresc.php?wyd=6&tom=27 | archive-date=2012-02-05 | dead-url=no }}.</ref>,後來再於 1978 年證明了完整的版本<ref>{{Citation | last1=Szemerédi | first1=Endre | author1-link=塞迈雷迪·安德烈 | title=Problèmes combinatoires et théorie des graphes (Colloq. Internat. CNRS, Univ. Orsay, Orsay, 1976) | publisher=CNRS | location=Paris | series=Colloq. Internat. CNRS | mr=540024 | year=1978 | volume=260 | chapter=Regular partitions of graphs | pages=399–401}}.</ref>。 {{Link-en|Vojtěch Rödl}} 及其合作者<ref>{{citation | last1 = Frankl | first1 = Peter | last2 = Rödl | first2 = Vojtěch | doi = 10.1002/rsa.10017.abs | issue = 2 | journal = Random Structures & Algorithms | mr = 1884430 | pages = 131–164 | title = Extremal problems on set systems | volume = 20 | year = 2002}}.</ref><ref>{{citation | last1 = Rödl | first1 = Vojtěch | last2 = Skokan | first2 = Jozef | doi = 10.1002/rsa.20017 | issue = 1 | journal = Random Structures & Algorithms | mr = 2069663 | pages = 1–42 | title = Regularity lemma for {{mvar|k}}-uniform hypergraphs | volume = 25 | year = 2004}}.</ref><ref>{{citation | last1 = Nagle | first1 = Brendan | last2 = Rödl | first2 = Vojtěch | last3 = Schacht | first3 = Mathias | doi = 10.1002/rsa.20117 | issue = 2 | journal = Random Structures & Algorithms | mr = 2198495 | pages = 113–179 | title = The counting lemma for regular {{mvar|k}}-uniform hypergraphs | volume = 28 | year = 2006}}.</ref>和[[蒂莫西·高爾斯|高爾斯]]<ref>{{citation | last = Gowers | first = W. T. | authorlink = Timothy Gowers | doi = 10.1017/S0963548305007236 | issue = 1-2 | journal = Combinatorics, Probability and Computing | mr = 2195580 | pages = 143–184 | title = Quasirandomness, counting and regularity for 3-uniform hypergraphs | volume = 15 | year = 2006}}.</ref><ref>{{citation | last = Gowers | first = W. T. | authorlink = Timothy Gowers | doi = 10.4007/annals.2007.166.897 | issue = 3 | journal = [[数学年刊|Annals of Mathematics]] | mr = 2373376 | pages = 897–946 | series = Second Series | title = Hypergraph regularity and the multidimensional Szemerédi theorem | volume = 166 | year = 2007| arxiv = 0710.3032 }}.</ref>將正則性方法推廣到[[超圖]]上。 ==定義和引理敍述== 塞邁雷迪正則性[[引理]]的嚴格敍述須用到下列定義。設 {{math|''G''}} 為一幅圖,而 {{math|''V''}} 為其[[顶点 (图论)|頂點]]集。 ===密度=== 設 {{math|''X'', ''Y''}} 為 {{math|''V''}} 的兩個互斥子集。定義 {{math|(''X'', ''Y'')}} 的'''密度'''為 :<math>d(X,Y) := \frac{\left| E(X,Y) \right|}{|X||Y|},</math> 其中 {{math|''E''(''X'', ''Y'')}} 為一個頂點在 {{math|''X''}} 中,而另一個頂點在 {{math|''Y''}} 中的邊的集合。 ===''ε''-正則=== 對於 {{math|''ε'' > 0}}, 稱兩個由頂點組成的集合 {{math|''X''}} 和 {{math|''Y''}} 為 '''{{math|''ε''}}-正則''',若對任意滿足{{math|<nowiki>|</nowiki>''A''<nowiki>|</nowiki> ≥ ''ε''<nowiki>|</nowiki>''X''<nowiki>|</nowiki>}} 和 {{math|<nowiki>|</nowiki>''B''<nowiki>|</nowiki> ≥ ''ε''<nowiki>|</nowiki>''Y''<nowiki>|</nowiki>}} 的子集 {{math|''A'' ⊆ ''X''}} 和 {{math|''B'' ⊆ ''Y''}}, 都有 :<math>\left| d(X,Y) - d(A,B) \right| \le \varepsilon.</math> ===''ε''-正則劃分=== 設 {{math|''V''<sub>1</sub>, ..., ''V<sub>k</sub>''}} 為將 {{math|''V''}} 分成 {{math|''k''}} 份的[[集合划分|劃分]]。其稱為 '''{{math|''ε''}}-正則劃分''',若: *對每個 {{math|''i'', ''j''}} 都有 {{math|''V<sub>i</sub>''}} 與 {{math|''V<sub>j</sub>''}} 的大小至多相差 1. *除了至多 {{math|''εk''<sup>2</sup>}} 對滿足 {{math|''i'' < ''j''}} 的 {{math|''V<sub>i</sub>''}}, {{math|''V<sub>j</sub>''}} 以外,其他的每一對都 {{math|''ε''}}-正則。 利用上述定義,可以寫出引理的嚴格敍述。 ===正則性引理=== 對任意的 {{math|''ε'' > 0}} 和[[正整數]] {{math|''m''}}, 存在整數 {{math|''M''}}, 其滿足:若 {{math|''G''}} 為至少有 {{math|''M''}} 個頂點的圖,則存在整數 {{math|''k''}} 滿足 {{math|''m'' ≤ ''k'' ≤ ''M''}}, 和一個 {{math|''ε''}}-正則劃分將 {{math|''G''}} 的頂點集分成 {{math|''k''}} 份。 引理的證明所給出的 {{math|''M''}} 的上界極大,比如 {{math|''m''}} 的 {{math|[[大O符号|O]](''ε''<sup>−5</sup>)}} 次[[迭代冪次]]。若實際的上界並非如此大,而是 {{Math|exp(''ε''<sup> -''β''</sup>)}} 的形式的話,則其可應用在其他地方。然而,高爾斯於 1997 年找到了一些圖作為例子,證明 {{math|''M''}} 確實可以增長得極快,比如至少為 {{math|''m''}} 的 {{math|''ε''<sup>−1/16</sup>}} 次疊代冪次。由此可見,最佳的上界必定位於 {{Link-en|Grzegorczyk 分層|Grzegorczyk hierarchy}}中的第 4 層,因此不屬[[ELEMENTARY|初等遞歸函數]]<ref>{{citation | last = Gowers | first = W. T. | authorlink = Timothy Gowers | doi = 10.1007/PL00001621 | issue = 2 | journal = Geometric and Functional Analysis | mr = 1445389 | pages = 322–337 | title = Lower bounds of tower type for Szemerédi's uniformity lemma | volume = 7 | year = 1997}}.</ref>。 == 推廣 == {{Link-en|János Komlós}}、{{Link-en|Gábor Sárközy}}和[[塞迈雷迪·安德烈]]其後(於 1997 年)證明了[[blow-up 引理]]<ref>{{citation | last1 = Komlós | first1 = János | last2 = Sárközy | first2 = Gábor N. | last3 = Szemerédi | first3 = Endre | author3-link = 塞迈雷迪·安德烈 | doi = 10.1007/BF01196135 | issue = 1 | journal = Combinatorica | mr = 1466579 | pages = 109–123 | title = Blow-up lemma | volume = 17 | year = 1997}}</ref><ref>{{citation | last1 = Komlós | first1 = János | last2 = Sárközy | first2 = Gábor N. | last3 = Szemerédi | first3 = Endre | author3-link = 塞迈雷迪·安德烈 | doi = 10.1002/(SICI)1098-2418(199805)12:3<297::AID-RSA5>3.3.CO;2-W | issue = 3 | journal = Random Structures & Algorithms | mr = 1635264 | pages = 297–312 | title = An algorithmic version of the blow-up lemma | volume = 12 | year = 1998| arxiv = math/9612213}}</ref> ,其斷言塞邁雷迪正則性引理中的正則對,在特定意義下與[[完全二部图|完全二部圖]]具有同樣的性質。若考慮將大而疏的圖,[[嵌入 (数学)|嵌入]]到一個稠密的圖中,則適用 blow-up 引理來深入研究該嵌入的性質。 [[陶哲軒]]以概率方法證明了一條不等式,其推廣了塞邁雷迪正則性引理<ref>{{citation | last = Tao | first = Terence | authorlink = 陶哲轩 | arxiv = math/0504472 | issue = 1 | journal = Contributions to Discrete Mathematics | mr = 2212136 | pages = 8–28 | title = Szemerédi's regularity lemma revisited | volume = 1 | year = 2006| bibcode = 2005math......4472T}}.</ref>。 注意,不可能在塞邁雷迪正則性引理中,證明「所有」對都正則。原因是,一些圖(比如{{Link-en|半圖|Half graph}})確實需要劃分中有若干對頂點集非正則,儘管按照正則性引理,這樣的對只佔很小一部分。<ref>{{citation | last1 = Conlon | first1 = David | last2 = Fox | first2 = Jacob | arxiv = 1107.4829 | doi = 10.1007/s00039-012-0171-x | issue = 5 | journal = Geometric and Functional Analysis | mr = 2989432 | pages = 1191–1256 | title = Bounds for graph regularity and removal lemmas | volume = 22 | year = 2012}}</ref> <!-- 或許可考慮加入 en: Algorithmic version for Szemerédi regularity partition 中提及的證明--> ==參考文獻== {{reflist}} ==參見== *{{citation | last1 = Komlós | first1 = J. | last2 = Simonovits | first2 = M. | contribution = Szemerédi's regularity lemma and its applications in graph theory | mr = 1395865 | pages = 295–352 | publisher = János Bolyai Math. Soc., Budapest | series = Bolyai Soc. Math. Stud. | title = Combinatorics, Paul Erdős is eighty, Vol. 2 (Keszthely, 1993) | volume = 2 | year = 1996}}. *{{citation | last1 = Komlós | first1 = J. | last2 = Shokoufandeh | first2 = Ali | last3 = Simonovits | first3 = Miklós | last4 = Szemerédi | first4 = Endre | author4-link = 塞迈雷迪·安德烈 | contribution = The regularity lemma and its applications in graph theory | doi = 10.1007/3-540-45878-6_3 | mr = 1966181 | pages = 84–112 | publisher = Springer, Berlin | series = Lecture Notes in Computer Science | title = Theoretical aspects of computer science (Tehran, 2000) | volume = 2292 | year = 2002}}. [[Category:圖論|S]] [[Category:组合数学|S]] [[Category:信息论|S]] [[Category:引理|S]]
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