定理內容
Ramsey定理的通俗表述:
6 個人中至少存在3人相互認識或者相互不認識。
該定理等價於證明這6個頂點的完全圖的邊,用紅、藍二色任意著色,必然至少存在一個紅色邊三角形,或藍色邊三角形。
註:這個定理以弗蘭克·普倫普頓·拉姆齊命名,1930年他在論文On a Problem in Formal Logic (《形式邏輯上的一個問題》)證明了R(3,3)=6。
證明
證明如下:首先,把這6個人設為A、B、C、D、E、F六個點。由A點可以引出AB、AC、AD、AE、AF五條線段。設:如果兩個人認識,則設這兩個人組成的線段為紅色;如果兩個人不認識,則設這兩個人組成的線段為藍色。
由抽屜原理可知:這五條線段中至少有三條是同色的。不妨設AB、AC、AD為紅色。若BC或CD為紅色,則結論顯然成立。若BC和CD均為藍色,則若BD為紅色,則一定有三個人相互認識;若BD為藍色,則一定有三個人互相不認識。
Ramsey數
一對常數a和b,對應於一個整數r,使得r個人中或有a個人相互認識,或有b個人互不認識;或有a個人互不認識,或有b個人相互認識。這個數r的最小值用R(a,b)來表示,也就是R(a,b)個頂點的完全圖。用紅藍兩種顏色進行著色,無論何種情況必至少存在以下兩者之一:(1)一個a個頂點著紅顏色的完全子圖,或一個b個頂點著藍顏色的完全子圖;(2)一個a個頂點著藍顏色的完全子圖,或一個b個頂點著紅顏色的完全子圖。
上述問題可以看作是R(3,3)=6的一個特例,上面的證明利用圖的形象而直觀的特點,證明了R(3,3)=6。
下面不用圖給出R(3,3)=6的證明:
對於A以外的5個人可分為Friend和Strange兩個集合。
Friend=其餘5人中與A互相認識的集合;
Strange=其餘5人中與A互相不認識的集合。
根據抽屜原理,Friend和Strange中有一個集合至少有3個人,不妨假設是集合Friend。
Friend中3個人P,Q,R若是彼此互相不認識,則問題已得到證明。否則有兩個人互相認識,不妨設這兩個人是P和Q,則A,P,Q這3個人彼此認識。
若是集合Strange至少有3個人,可以同樣討論如下:若Strange有3人L,M,N彼此互相認識,則問題的條件已得到滿足。否則設L和M互不相識,則A,L,M互不相識。
可以把推理過程形象地表示,如圖所示:
雖然R(3,3)的證明十分巧妙,但是實際上已知的Ramsey數非常少,比如R(3,3)=6,R(3,4)=9,R(4,4)=18保羅·艾狄胥曾以一個故事來描述尋找拉姆齊數的難度:
“想像有隊外星人軍隊在地球降落,要求取得R(5,5)的值,否則便會毀滅地球。在這個情況,我們應該集中所有電腦和數學家嘗試去找這個數值。若它們要求的是R(6,6)的值,我們要嘗試毀滅這班外星人了。”
Ramsey證明,對於給定的正整數數k及l,R(k,l)的答案是唯一和有限的。目前的進展如下圖所示(很多只有一個範圍):
更一般的Ramsey數
若把以上討論中紅、藍兩種顏色改為k種顏色c1,c2,...,ck,把存在a條邊的同色完全圖,或b條邊的同色完全圖,改為或a1,或a2,...,或a條邊的同色完全圖,即得到Ramsey數R(a1,a2,...,ak),即對r個頂點的完全圖,用k種顏色c1,c2,...,ck任意染色,必然是或出現以c1顏色的a1個頂點的完全圖,或出現以c2顏色的a2個頂點的完全圖,...,或出現以ck顏色的ak個頂點的完全圖,這樣的整數r的最小值用R(a1,a2,...ak)表示。
針對Ramsey定理擴展到任意多種顏色的情況,我們給出一個非常簡略的介紹。如果n1,n2和n3都是大於或等於2的整數,則存在整數p,使得Kp→Kn1,Kn2,Kn3。
也就是說,如果把Kp的每條邊著上紅色、藍色或綠色,那么或者存在一個紅Kn1,或者存在一個藍Kn2,或者存在一個綠Kn3。使該結論成立的最小整數p稱為Ramsey數r(n1,n2,n3)。已知這種類型的僅有的非平凡Ramsey數為r(3,3,3)=17。
因此,K17→K3,K3,K3,而K16→K3,K3,K3。我們可以用類似的方法定義Ramsey數r(n1,n2,…,nk),而對於點對Ramsey定理的完全一般形式是這些數存在;即存在整數p,使得Kp→Kn1,Kn2,…,Knk成立。
Ramsey定理還有更一般的形式,在這種形式中點對(兩個元素的子集)換成了t個元素的子集,其中t≥1是某個整數。令Ktn表示n元素集合中所有t個元素的子集的集合。將上面的概念擴展,Ramsey定理的一般形式可敘述如下:
給定整數t≥2及整數q1,q2,…,qk≥t,存在一個整數p,使得Ktp→Ktq1,Ktq2,…,Ktqk成立。也就是說,存在一個整數p,使得如果給p元素集合中的每一個t元素子集指定k種顏色c1,c2,…,ck中的一種,那么或者存在q1個元素,這些元素的所有t元素子集都被指定為顏色c1,或者存在q2個元素,這些元素的所有t元素子集都被指定為顏色c2,…,或者存在qk個元素,它的t元素子集都被指定為顏色ck。這樣的整數中最小的整數p為Ramsey數rt(q1,q2,…,qk)。
假設t=1。於是,r1(q1,q2,…,qk)就是滿足下麵條件的最小的數p:如果p元素集合的元素被用顏色c1,c2,…,ck中的一種顏色著色,那么或者存在q1個都被著成顏色c1的元素,或者存在q2個都被著成顏色c2的元素,…,或者存在qk個都被著成顏色ck的元素。因此,根據鴿巢原理的加強版,有r1(q1,q2,…,qk)=q1+q2+…+qk-k+1這就證明Ramsey定理是鴿巢原理的加強版的擴展。
確定一般的Ramsey數rt(q1,q2,…,qk)是一個困難的工作。關於它們的準確值我們知道得很少。但不難看出,rt(t,q2,…,qk)=rt(q2,…,qk)並且q1,q2,…,qk的排列順序不影響Ramsey數的值。
若干推論
(1)對6個頂點的完全圖的邊用紅、藍二色任意著色,結果至少有兩個同色的三角形。
(2)證明9個人中若不是3個人互不認識,則必有4個人互相認識,同樣,10個人中若不是3個人互相認識,則必有4個人互不認識。
(3)18個人中至少有4個人或互相認識或互相不認識。
相關定理
定理1R(a,b)=R(b,a), R(a,2)=a
定理2對任意整數a,b>=2, R(a,b)存在。
定理3對所有的整數a,b
R(a,b)<=R(a-1,b)+R(a,b-1)
定理4對所有的整數a和b,a,b>=2,若R(a,b-1)和R(a-1,b)是偶數,則
R(a,b)<=R(a-1,b)+R(a,b-1)-1
定理5對於a,b>=2,有
R(a,b)<=
註:關於以上推論和定理的證明,可以參考《組合數學(第4版)》盧開澄、盧華明編著,其中的第3章第15節給與了證明 。