球面上的几何在极值图论中的一个应用——Bollobas-Erdos Graph的构造

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~ 今天,我们将探讨Ramsey-Turan型问题,特别是在完全图[公式]的构造上。这一领域中的证明,尤其是关于Bollobas-Erdos Graph的构造,给我的心灵带来了巨大震撼。在极值图论的探索中,它无疑是令人印象深刻的。

让我们从问题的简介开始。我们探讨的是一个n个点的图,其中不能包含[公式]作为子图,最大边数是多少?记为 [公式]。对于这个问题,早在20世纪40年代,Paul Turan给出了著名的Turan定理,即当图G为Turan图时可以达到最大值。Turan图通过将n个点几乎平均分割成[t-1]部分,并使各部分之间连边,形成一个complete (t-1)-partite图。由此,我们得知,禁掉[公式]的图所能有的最大边数大致为 [公式],且Turan图的构造使得每一部分大约有 [公式]个点,其最大独立集数 [公式]大致为 [公式]。

接下来,我们将关注60-70年代的极值组合问题,该问题提出了一个新颖的视角:如果同时限制图的最大独立集数,会发生什么?例如,如果我们限制 [公式],我们考虑函数 [公式],其中 [公式]是 [公式]个点不包含[公式]作为子图且最大独立集数为 [公式]的图所能拥有的最大边数。

1972年,Szemeredi利用其Regularity Lemma,给出了如下的上界:Theorem 2。当时,人们普遍猜测[公式],即构造不出一个图 [公式],它是Dense的([公式]),同时证明它不包含 [公式]作为子图,且独立集数不超过 [公式]。这一猜想似乎难以实现,但仅仅过了3-4年,Erdos和Bollobas就给出了令人惊叹的构造,不仅给出了[公式],甚至给出了[公式]前面的系数为[公式]的结果。

接下来,我们探讨Theorem 3的几何构造。首先,我们需要从几何角度观察单位球[公式]上的4个点[公式],其中[公式]几乎对跖,[公式]几乎对跖。这些点几乎在一个平面上,构成一个长方形,其中至少有一条边的长度大于[公式]。基于这一观察,我们构建图[公式],其构造如下:

给定正数[公式]和非常大的整数[公式],我们选择[公式],并将[公式]维单位球[公式]划分为等测度且直径小于[公式]的[公式]个区域[公式]。从每个区域[公式]中选取2个点[公式]、[公式],然后构造图[公式],其中点集为[公式],点[公式]、[公式]之间的距离记为[公式]。图[公式]的连边规则如下:

通过这一构造,我们发现图[公式]具有以下性质:

第一条:不存在线性级别的独立集。我们可以通过选择[公式]个点,并观察它们所在区域的并集[公式]的测度来说明这一点,从而确保存在图[公式]中的两个点[公式]和[公式],它们之间的距离大于[公式],这使得不存在线性级别的独立集。

第二条:图[公式]不包含[公式]作为子图。通过回溯几何观察和连边规则,我们发现如果[公式]构成一个[公式],那么它们对应的点[公式]几乎对跖,这与几何观察中的长方形边长大于[公式]的条件相矛盾,从而证明了图[公式]不包含[公式]作为子图。

第三条:图[公式]的边数。每个点的度数大约为[公式],这通过连边规则得到验证。由此,我们可以计算得到图[公式]的边数,完成对Theorem 3的说明。

最后,我们讨论一个相关问题:将[公式]替换为一个具体函数,如[公式],是否还有相似结果?答案是否定的。这个问题涉及更深层次的理论,未来有机会在专栏中进行更详细的讨论。


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