塞迈雷迪正则性引理

✍ dations ◷ 2025-10-29 11:45:56 #图论,组合数学,信息论,引理

数学上,塞迈雷迪正则性引理(Szemerédi regularity lemma)断言,给定任意一个足够大的图,都可以将其顶点集划分成若干个差不多一样大的子集,使得几乎每两个不同的子集之间的边,都具有随机二部图的性质。塞迈雷迪于 1975 年引入了该引理较弱的版本,其只适用于二部图,用作证明塞迈雷迪定理,后来再于 1978 年证明了完整的版本。 Vojtěch Rödl(英语:Vojtěch Rödl) 及其合作者和高尔斯将正则性方法推广到超图上。

塞迈雷迪正则性引理的严格叙述须用到下列定义。设 为一幅图,而 为其顶点集。

,  为 的两个互斥子集。定义 (, ) 的密度为

其中 (, ) 为一个顶点在 中,而另一个顶点在 中的边的集合。

对于  > 0, 称两个由顶点组成的集合 -正则,若对任意满足|| ≥ || 和 || ≥ || 的子集  ⊆  和  ⊆ , 都有

1, ...,  为将 分成 份的划分。其称为 -正则划分,若:

利用上述定义,可以写出引理的严格叙述。

对任意的  > 0 和正整数 , 存在整数 , 其满足:若 为至少有 个顶点的图,则存在整数 满足  ≤  ≤ , 和一个 -正则划分将 的顶点集分成 份。

引理的证明所给出的 的上界极大,比如 O(−5) 次迭代幂次。若实际的上界并非如此大,而是 exp( -) 的形式的话,则其可应用在其他地方。然而,高尔斯于 1997 年找到了一些图作为例子,证明 确实可以增长得极快,比如至少为 −1/16 次迭代幂次。由此可见,最佳的上界必定位于 Grzegorczyk 分层(英语:Grzegorczyk hierarchy)中的第 4 层,因此不属初等递归函数。

János Komlós(英语:János Komlós)、Gábor Sárközy(英语:Gábor Sárközy)和塞迈雷迪·安德烈其后(于 1997 年)证明了blow-up 引理 ,其断言塞迈雷迪正则性引理中的正则对,在特定意义下与完全二部图具有同样的性质。若考虑将大而疏的图,嵌入到一个稠密的图中,则适用 blow-up 引理来深入研究该嵌入的性质。

陶哲轩以概率方法证明了一条不等式,其推广了塞迈雷迪正则性引理。

注意,不可能在塞迈雷迪正则性引理中,证明“所有”对都正则。原因是,一些图(比如半图(英语:Half graph))确实需要划分中有若干对顶点集非正则,尽管按照正则性引理,这样的对只占很小一部分。

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