Interested Article - Комбинаторная схема

Теория комбинаторных схем — это часть комбинаторики (раздела математики ), рассматривающая существование, построение и свойства * , структура которых удовлетворяет обобщённым концепциям равновесия и/или симметрии . Эти концепции не определены точно, так что объекты широкого диапазона могут пониматься как комбинаторные схемы. Так, в одном случае комбинаторные схемы могут представлять собой пересечения множеств чисел, как в блок-схемах , а в другом случае могут отражать расположение элементов в судоку .

Теорию комбинаторных схем можно использовать при планировании экспериментов . Некоторые из основных комбинаторных схем приведены в работе Рональда Фишера по теории биологических экспериментов. Сейчас комбинаторные схемы можно найти в широком ряде областей, включая конечную геометрию , создание графиков турниров , лотереи , математическую биологию , разработку и анализ алгоритмов , вычислительные сети , и криптографию .

Определение

Обозначим - множество элементов . Рассмотрим подмножества этого множества . Каждое подмножество называется блоком, а число элементов множества в нем называется объемом блока и обозначается как . Пусть - число подмножеств , содержащих этот элемент. Число повторений (неупорядоченных пар) обозначается как . Тогда множество блоков образует комбинаторную схему (или блок-схему) с параметрами .

Пример

Плоскость Фано

Если имеется n людей, можно ли составить из них множества, такие, что каждый человек принадлежит по меньшей мере одному множеству, каждая пара принадлежит в точности одному множеству, каждые два множества имеют в пересечении только одного человека и ни одно из множеств не состоит из всех людей, всех людей без одного или в точности одного человека? Ответ зависит от n .

Ответ положителен, только если n имеет вид q 2 + q + 1. Сложнее доказать, что решение существует, если q является степенью простого числа . Существует гипотеза, что других решений нет. Было доказано, что если решение существует для q , сравнимых с 1 или 2 по модулю 4, то q является суммой двух полных квадратов . Этот результат, теорема Брука — Райзера — Човла , был доказан путём комбинации методов построения, основывающихся на конечных полях , и квадратичных формах .

Когда такая структура существует, она называется конечной проективной плоскостью . Это показывает, как пересекаются теория конечных геометрий и комбинаторика. В случае q = 2, проективная плоскость называется плоскостью Фано .

История

Комбинаторные схемы известны ещё со времён античности в виде квадрата Ло Шу , который являлся ранней версией магического квадрата . Комбинаторные схемы развивались с развитием комбинаторики начиная с 18-го столетия, например, в виде латинских квадратов в 18-м веке и систем Штейнера в 19-м веке. Комбинаторные схемы популярны также в занимательной математике , как, например, в задаче Киркмана о школьницах (1850), и практических задачах, таких как составление расписания круговых турниров (решение опубликовано в 1880-х годах). В 20-м веке комбинаторные схемы были применены к планированию экспериментов , конечным геометриям и и привели к возникновению .

Фундаментальные комбинаторные схемы

Классическое ядро предмета комбинаторных схем строится вокруг сбалансированных неполноблочных схем (en:Balanced Incomplete Block Design, BIBD), матриц и схем Адамара , симметричных BIBD , латинских квадратов , разрешимых BIBD , и попарно сбалансированных схем (en: Pairwise Balanced Design, PBD) . Другие комбинаторные схемы связаны с перечисленными или основываются на этих схемах.

  • Сбалансированная неполноблочная схема (BIBD), которую для краткости называют блок-схемами , это набор B из b подмножеств (которые называются блоками ) конечного множества X из v элементов, такой, что любой элемент множества X содержится в некотором числе r блоков, каждый блок имеет одинаковое число элементов (= k ) и каждая пара различных элементов появляется в одинаковом числе ( ) блоков . Схемы BIBD известны также как 2-схемы и часто обозначаются как схемы. В качестве примера, для случая и b = v мы получаем проективную плоскость X в этом случае является множеством точек на плоскости, а блоки являются прямыми.
  • Симметричная сбалансированная неполноблочная схема или SBIBD (en:Symmetric Balanced Incomplete Block Design) — это BIBD, в которой v = b (число точек равно числу блоков). Это наиболее важный и хорошо изученный подкласс BIBD. Проективные плоскости, биплоскости и 2-схемы Адамара являются SBIBD-схемами. Эти схемы представляют интерес как экстремальные примеры неравенства Фишера ( ).
  • Разрешимая сбалансированная неполная блок-схема — это BIBD, блоки которого могут быть разбиты на множества (называемые параллельными классами ), каждое из которых образует разбиение точек BIBD . Множество параллельных классов называется разрешением схемы. Решение знаменитой задачи о 15 школьниках является разрешением BIBD с v = 15, k = 3 и .
  • — это r × n ( r n ) матрица , имеющая в качестве элементов числа 1, 2, 3, ..., n (или любое другое множество n различных символов), в которой никакое число не появляется дважды в любой строке или столбце. Латинский прямоугольник с размерами n × n называется латинским квадратом . Если r < n , то можно добавить n r строк к латинскому прямоугольнику с размерами r × n , чтобы сформировать латинский квадрат, используя теорему Холла о свадьбах theorem .
Говорят, что два латинских квадрата порядка n ортогональны если множество всех упорядоченных пар , состоящих из соответствующих элементов двух квадратов, состоит из n 2 различных пар (то есть встречаются все возможные упорядоченные пары). Множество латинских квадратов одного порядка образует множество взаимно ортогональных латинских квадратов (en: Mutually Orthogonal Latin Squares, MOLS)), если любая пара латинских квадратов в множестве ортогональна. Может существовать максимум n − 1 квадратов в таком множестве квадратов порядка n . Множество n − 1 квадратов MOLS порядка n можно использовать для построения проективной плоскости порядка n (и наоборот).
  • — это подмножество D группы G порядка v , имеющее размер k , а любой не равный единице элемент группы G может быть представлен в виде произведения d 1 d 2 −1 элементов D в точности способами (если G представлено операцией умножения) .
Если D — разностное множество и g принадлежит G , то также является разностным множеством и называется переносом множества D . Множество переносов разностного множества D образует симметричную блок-схему . В такой схеме имеется v элементов и v блоков. Каждый блок схемы состоит из k точек, каждая точка содержится в k блоках. Любые два блока имеют в точности общих элементов и любые две точки появляются вместе в блоках. Эта схема SBIBD называется развитием множества D .
В частности, если , разностное множество образует проективную плоскость . Например, разностное множество (7,3,1) над группой ( абелева группа с аддитивной записью) — это подмножество {1,2,4}. Развитие этого разностного множества даёт плоскость Фано .
Поскольку любое разностное множество даёт SBIBD, множество параметров должно удовлетворять теореме Брука – Райзера – Човла , но не любая SBIBD-схема даёт разностное множество.
  • Матрица Адамара порядка m — это m × m матрица H с элементами ±1, такая, что HH = m E m , где H является транспонированной к H , а E m m × m единичная матрица . Матрицу Адамара можно привести к стандартизованной форме (то есть преобразовать в эквивалентную матрицу Адамара), в которой элементы первой строки и первого столбца равны +1. Если порядок m > 2, то m должно делиться на 4.
Если дана матрица Адамара порядка 4 a в стандартизованной форме, удалим первую строку и первый столбец, а затем заменим все −1 на 0. Получившаяся 0–1 матрица M является матрицей инцидентности симметричной схемы, называемой адамаровой 2-схемой . Это построение обратимо, так что матрица инцидентности симметричной 2-схемы с такими параметрами может быть использована для получения матрицы Адамара порядка 4 a . В случае a = 2 мы получаем уже знакомую плоскость Фано (как 2-схему Адамара).
  • Попарно сбалансированная схема (en:Pairwise Balanced Design, PBD) — это множество X вместе с семейством подмножеств X (не обязательно одного размера и подмножества могут быть одинаковыми), таком, что любая пара различных элементов из X содержится точно в (положительное число) подмножеств. Разрешается, чтобы множество X входило в семейство, а если все подмножества являются копиями множества X , схема PBD называется тривиальной . Размер множества X равен v , а число подмножеств в семействе (одинаковые подмножества подсчитываются отдельно) равно b .
Неравенство Фишера для схем PBD выполняется — для любой нетривиальной PBD-схемы выполняется .
Этот результат обобщает знаменитую теорему де Брёйна — Эрдёша — для любой PBD-схемы с , не имеющей блоков размера 1 или v , выполняется , при этом равенство имеет место тогда и только тогда, когда схема является проективной плоскостью или почти пучком .

Другие комбинаторные схемы

Книга « Handbook of Combinatorial Designs » (справочник по комбинаторным схемам) Колбурна и Диница содержит, среди прочих, 65 глав, посвящённых комбинаторным схемам, отличным от приведённых выше. Частичный список дан ниже.

  • Сбалансированные троичные схемы (en: Balanced Ternary Design) — расстановка V элементов в B мультимножеств (блоков, мощность каждого множества K ( K V )), удовлетворяющая условиям:
  1. Каждый элемент появляется раз с кратностью 1 (1 экземпляр в мультимножестве) точно в блоках, а с кратностью 2 — точно в блоках.
  2. Каждая пара различных элементов появляется раз (учитывая кратность). То есть, если m vb — кратность элемента v в блоке b , то для любой пары различных элементов v и w выполняется .
Например, одна из двух неизоморфных схем BTD(4,8;2,3,8;4,6) (блоками служат столбцы) — это
1 1 1 2 2 3 1 1
1 1 1 2 2 3 2 2
2 3 4 3 4 4 3 3
2 3 4 3 4 4 4 4
Матрица инцидентности BTD схемы (элементами которой служат кратности элементов в блоках) может быть использована для образования троичных исправляющих ошибки кодов аналогично построению двоичных кодов из матриц инцидентности BIBD схем .
  • Сбалансированная турнирная схема порядка n (BTD( n )) — это размещение всех различных неупорядоченных пар 2 n -множества V в массиве n × (2 n − 1), такое что
  1. каждый элемент множества V появляется ровно один раз в каждом столбце
  2. каждый элемент множества V появляется не более двух раз в каждой строке.
Пример схемы BTD(3)
1 6 3 5 2 3 4 5 2 4
2 5 4 6 1 4 1 3 3 6
3 4 1 2 5 6 2 6 1 5
Столбцы схемы BTD( n ) дают 1-факторизацию полного графа с 2 n вершинами, K 2n .
Схемы BTD( n ) могут быть использованы для составления расписания круговых турниров — строки представляют места, столбцы представляют туры (раунды, круги), а элементы таблицы задают игроков или команды.
  • Бент-функции
  • Массивы Костаса
  • Полные факторные эксперименты
  • Частотный квадрат ( F -квадрат) является обобщением латинского квадрата . Пусть S = { s 1 , s 2 , ..., s m } — множество различных символов, а частотный вектор положительных чисел. Частотный квадрат порядка n — это n × n массив, в котором каждый символ s i встречается раз ( i = 1,2,...,m) в каждой строке и в каждом столбце. Частотный квадрат имеет стандартный вид , если в первой строке и первом столбце элементы s i предшествуют s j при i < j .
Частотный квадрат F 1 порядка n над множеством { s 1 , s 2 , ..., s m } с частотным вектором и частотный квадрат F 2 также порядка n над множеством с частотным вектором ортогональны , если любая упорядоченная пара ( s i , t j ) появляется ровно раз, когда F 1 и F 2 налагаются друг на друга.
Любое аффинное пространство AG( n ,3) даёт пример схемы HTS, такие схемы называются аффинными HTS. Неаффинные схемы HTS также существуют.
Число точек в схеме HTS равно 3 m для некоторого целого . Неаффинные схемы HTS существуют для любого и не существуют для или 3 .
Любая система троек Штейнера эквивалентна штейнеровской квазигруппе ( идемпотентна , коммутативна и выполняется для всех x и y ). Система троек Холла эквивалентна штейнеровской квазигруппе со свойством дистрибутивности , то есть выполняется для всех a,x,y в квазигруппе .
  • Пусть S — множество из 2 n элементов. Схема Хауэлла , H( s ,2 n ) (на множестве символов S ) — это массив s × s , такой, что:
  1. Каждая ячейка массива либо пуста, либо содержит неупорядоченную пару из S ,
  2. Каждый символ появляется в точности один раз в каждой строке и каждом столбце массива,
  3. Каждая неупорядоченная пара появляется не более чем в одной ячейке массива.
Пример схемы H(4,6)
0 4 1 3 2 5
2 3 1 4 0 5
3 5 2 4 0 1
1 5 0 2 3 4
H(2 n − 1, 2 n ) — это со стороной 2 n − 1, так что схемы Хауэлла обобщают концепцию квадратов Рума.
Пары символов в ячейках схемы Хауэлла можно рассматривать как рёбра s регулярного графа с 2 n вершинами, который называется основным графом схемы Хауэлла.
Циклические схемы Хауэлла используются как передвижения Хауэлла (схема комплектации участников игр) в турнирах двойного бриджа . Строки схемы представляют туры (круги), столбцы представляют коробки (с подготовленными заранее сдачами, см. «Бридж — подготовка к игре» ), а диагонали представляют столы .
  • Линейные пространства
  • Схема лото ( n , k , p , t ) — это множество V из n элементов вместе с набором k -элементных подмножеств (блоков), таких, что для любого подмножества P , состоящего из p элементов множества V , существует блок B в , для которого . L( n , k , p , t ) означает наименьшее число блоков в любой схеме лото ( n , k , p , t ). Схема лото (7,5,4,3) с наименьшим возможным числом блоков :
{1,2,3,4,7}       {1,2,5,6,7}       {3,4,5,6,7}.
Схема лото моделирует любую лотерею , работающую по следующим правилам: Игрок покупает билеты , содержащие k чисел, выбранные из множества, содержащего n чисел. В некоторый момент времени продажа билетов прекращается и выбирается случайный набор из p чисел, содержащихся в исходном множестве из n чисел. Это выигрышные числа . Если проданный билет содержит t или более выигрышных номеров, приз отдаётся владельцу билета. Чем больше совпадений, тем выше выигрыш. Число L( n , k , p , t ) интересно как для игроков, так и для исследователей, так как представляет наименьшее число билетов, которые следует купить, чтобы гарантировать выигрыш.
Венгерская лотерея — это схема лото (90,5,5, t ) и известно, что L(90,5,5,2) = 100. Лотереи с параметрами (49,6,6, t ) популярны во всём мире и известно, что L(49,6,6,2) = 19. В общем случае эти числа трудно вычислить и они остаются неизвестными .
Геометрическое построение одной из таких схем приведено в статье « Трансильванская лотерея ».
  • Магические квадраты
  • Схема Мендельсона ( ) — это множество V из v элементов и набор упорядоченных k - кортежей различных элементов множества V (называемых блоками ), таких, что каждая упорядоченная пара ( x , y ) элементов из V ( x y ) циклически смежна в блоках (упорядоченная пара ( x , y ) различных элементов циклически смежна в блоке, если элементы появляются в блоке рядом — либо (..., x , y ,...), либо ( y ,..., x )). Схема — это система троек Мендельсона , имеющая обозначение MTS . Пример MTS(4,1) над V = {0,1,2,3}:
(0,1,2)     (1,0,3)     (2,1,3)     (0,2,3)
Любая система троек может быть преобразована в систему троек Мендельсона путём замены неупорядоченной тройки { a , b , c } парой упорядоченных троек ( a , b , c ) и ( a , c , b ), но обратное, как показывает пример, неверно.
Пусть ( Q ,∗) — идемпотентная полусимметрическая квазигруппа , то есть в ней выполняется x x = x (идемпотентность) и x ∗ ( y x ) = y (полусимметричность) для всех x , y из Q . Пусть . Тогда является системой троек Мендельсона MTS(| Q |,1). Это построение обратимо .
  • Квази-3 схема — это симметричная схема (SBIBD), в которой каждая тройка блоков пересекается либо в x , либо в y точках для фиксированных чисел x и y , называемых числами пересечений троек ( x < y ). Любая симметричная схема с является квази-3 схемой с и . Схема точка-гиперплоскость геометрии PG ( n , q ) является квази-3 схемой с и . Если для квази-3 схемы, схема изоморфна PG ( n , q ) или проективной плоскости .
  • Схема является квазисимметричной с числами пересечения x и y ( x < y ), если любые два различных блока имеют в пересечении либо x , либо y точек. Эти схемы возникают естественным образом при изучении двойственных схем с . Несимметричная схема ( b > v ) 2-( v , k ,1) является квазисимметричной с x = 0 и y = 1. Кратные (блоки повторяются некоторое определённое число раз) симметричные 2- схемы квазисимметричны с и y = k . Адамаровы 3-схемы (расширение 2-схем Адамара ) квазисимметричны .
Любая квазисимметричная блок-схема порождает сильно регулярный граф (как её блоковый граф ), но не все схемы SRG порождаются таким образом .
Матрица инцидентности квазисимметричной схемы 2- с k x y (mod 2) образует двоичный самоортогональный код .
  • — это конечное множество X точек на a ( d − 1)-мерной сфере , такое, что для некоторого целого t , среднее значение на X полинома
со степенью, не превосходящей t , равно среднему значению f на всей сфере (то есть интегралу функции f , делённому на площадь сферы).
  • Тосканский r × n k -прямоугольник над n символами имеет r строк и n столбцов, при этом
  1. каждая строка является перестановкой n символов
  2. для любых двух различных символов a и b и для каждого числа m от 1 до k существует не более одной строки , в которой b находится в m шагах правее a .
Если r = n и k = 1, схемы называются тосканскими квадратами , а в случае r = n и k = n - 1 они называются флорентийскими квадратами . Римский квадрат — это тосканский квадрат, являющийся одновременно латинским квадратом (такие квадраты известны также как полные по строкам латинские квадраты ). Ватиканский квадрат — это флорентийский квадрат, являющийся одновременно латинским квадратом.
Пример тосканского 1-квадрата на 7 символах, не являющегося 2-квадратом :
6 1 5 2 4 3 7
2 6 3 5 4 7 1
5 7 2 3 1 4 6
4 2 5 1 6 7 3
3 6 2 1 7 4 5
1 3 2 7 5 6 4
7 6 5 3 4 1 2
Тосканский квадрат на n символах эквивалентен декомпозиции полных графов с n вершинами на n гамильтоновых ориентированных путей .
  • t-кратная сбалансированная схема (или t BD) типа t - — это множество X из v элементов вместе с семейством подмножеств X (называемых блоками ), размеры которых содержатся в наборе K , таком, что любое t -подмножество различных элементов X содержится в точности в блоках. Если K — набор положительных целых чисел строго между t и v , то схема t BD называется собственной . Если все k -подмножества X для некоторого k являются блоками, схема t BD называется тривиальной .
Заметим, что в примере 3-{12,{4,6},1) схемы на множестве X = {1,2,...,12} некоторые пары появляются четыре раза (например, пара {1,2}), в то время, как другие появляются пять раз (например, пара {6,12}) .
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
  • Неполный латинский квадрат — это k × v прямоугольный массив ( k < v ) v символов, таких, что каждый символ появляется в точности один раз в каждой строке и символы, появляющиеся в любом столбце, образуют блоки симметричной схемы , все блоки которой появляются в точности один раз. Неполный латинский квадрат является латинским прямоугольником. Термин "квадрат" в названии появился из более старого определения, которое использовало квадратный массив . Пример неполного латинского 4 × 7 квадрата:
1 2 3 4 5 6 7
2 3 4 5 6 7 1
3 4 5 6 7 1 2
5 6 7 1 2 3 4
Семь блоков (столбцов) образует биплоскость порядка 2 (симметричная схема (7,4,2)).

Примечания

  1. , с. 1.
  2. , с. 130.
  3. , с. IX.
  4. , с. 40 Example 5.8.
  5. , с. 52 Theorem 3.1.
  6. Если G — абелева группа (или записывается с операцией сложения) определение приобретает вид d 1 –d 2 , откуда и возник термин разностное множество .
  7. , с. 262 Theorem 1.6.
  8. , с. 74 Theorem 4.5.
  9. , с. 193 Theorem 8.20.
  10. , с. 183, Theorem 8.5.
  11. .
  12. , с. 331 Example 2.2.
  13. , с. 331 Remark 2.8.
  14. , с. 333, Remark 3.3.
  15. , с. 496 Theorem 28.5.
  16. , с. 497 Theorem 28.15.
  17. , с. 503 Remark 29.38.
  18. , с. 512 Example 32.4.
  19. , с. 512, Remark 32.3.
  20. , с. 530 Theorem 35.15.
  21. , с. 577 Theorem 47.15.
  22. , с. 578-579.
  23. , с. 579 Theorem 48.10.
  24. , с. 580 Lemma 48.22.
  25. , с. 652 Examples 62.4.
  26. , с. 655 Theorem 62.24.
  27. , с. 657.
  28. , с. 658 Example 63.5.
  29. , с. 669 Remark 65.3.

Литература

  • Рыбников К.А. Введение в комбинаторный анализ. — МГУ, 1972.
  • Таранников Ю. В. Комбинаторные свойства дискретных структур и приложения к криптологии. — МЦНМО, 2011. — ISBN 978-5-94057-812-3 .
  • Холл М. Комбинаторика. — МИР, 1966.
  • Assmus E.F., Key J.D. . — Cambridge: Cambridge University Press, 1992. — ISBN 0-521-41361-3 .
  • Beth T., Jungnickel D., Lenz H. Design Theory. — Cambridge: Cambridge University Press , 1999. — ISBN 978-0-521-44432-3 .
  • Bose R. C. A Note on Fisher's Inequality for Balanced Incomplete Block Designs // . — 1949. — С. 619–620 .
  • Caliński T., Kageyama S. Block designs: A Randomization approach, Volume II : Design. — New York: Springer-Verlag, 2003. — Т. 170. — (Lecture Notes in Statistics). — ISBN 0-387-95470-8 .
  • Colbourn Charles J., Dinitz Jeffrey H. Handbook of Combinatorial Designs. — 2nd. — Boca Raton: Chapman & Hall/ CRC, 2007. — ISBN 1-58488-506-8 .
  • Fisher R. A. An examination of the different possible solutions of a problem in incomplete blocks // . — 1940. — Т. 10 . — С. 52–75 .
  • Hall Marshall, Jr. Combinatorial Theory. — 2nd. — New York: Wiley-Interscience, 1986. — ISBN 0-471-09138-3 .
  • Hughes D.R., Piper E.C. . — Cambridge: Cambridge University Press, 1985. — ISBN 0-521-25754-9 .
  • Lander E. S. Symmetric Designs: An Algebraic Approach. — Cambridge: Cambridge University Press, 1983.
  • Lindner C.C., Rodger C.A. . — Boca Raton: CRC Press, 1997. — ISBN 0-8493-3986-3 .
  • Raghavarao D. Constructions and Combinatorial Problems in Design of Experiments. — corrected reprint of the 1971 Wiley. — New York: Dover, 1988.
  • Raghavarao D., Padgett L.V. Block Designs: Analysis, Combinatorics and Applications. — World Scientific, 2005.
  • Ryser Herbert John. Chapter 8: Combinatorial Designs // Combinatorial Mathematics (Carus Monograph #14). — Mathematical Association of America, 1963.
  • Shrikhande S. S., Vasanti N. B.-N. Non-isomorphic solutions of some balanced incomplete block designs I – // Journal of Combinatorial Theory . — 1970.
  • Stinson Douglas R. Combinatorial Designs: Constructions and Analysis. — New York: Springer, 2003. — ISBN 0-387-95487-2 .
  • Street Anne Penfold, Street Deborah J. Combinatorics of Experimental Design. — Oxford U. P. [Clarendon], 1987. — P. 400+xiv. — ISBN 0-19-853256-3 .
  • van Lint, J.H., and R.M. Wilson. A Course in Combinatorics. — Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1992.
Источник —

Same as Комбинаторная схема