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
.
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
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
.
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:
Каждый элемент появляется
раз с кратностью 1 (1 экземпляр в мультимножестве) точно в
блоках, а с кратностью 2 — точно в
блоках.
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
каждый элемент множества
V
появляется ровно один раз в каждом столбце
каждый элемент множества
V
появляется не более двух раз в каждой строке.
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.
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.
Системы троек Холла
(en:Hall Triple Systems, HTS) — это
системы троек Штейнера
(en:Steiner Triple Systems, STS) (в ней блоки называются
прямыми
) со свойством, что подструктура, образованная пересечением двух прямых изоморфна
конечной аффинной плоскости
AG(2,3).
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:
Каждая ячейка массива либо пуста, либо содержит неупорядоченную пару из
S
,
Каждый символ появляется в точности один раз в каждой строке и каждом столбце массива,
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
.
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
.
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
.
— 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
каждая строка является перестановкой
n
символов
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})
.
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
, с. 1.
↑
, с. 130.
, с. IX.
, с. 40 Example 5.8.
, с. 52 Theorem 3.1.
Если
G
— абелева группа (или записывается с операцией сложения) определение приобретает вид d
1
–d
2
, откуда и возник термин
разностное множество
.
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.