Combinatoria aritmetică este o zonă interdisciplinară a matematicii care studiază relația dintre structurile formate într- un câmp (mai rar, într-un inel ) prin operația de adunare și operația de înmulțire.
Abordarea conceptului de structură aici este similară cu combinatoria aditivă și se bazează în principal pe dimensiunea setului de sume (sau produse), energie aditivă (sau multiplicativă) și diferitele lor combinații. Ca câmp, sunt de obicei considerate numere reale sau raționale ( , ) și reziduuri modulo prime ( ).
Combinatoria aditivă și aritmetică sunt științe tinere, în curs de dezvoltare. Metodele și modalitățile lor de stabilire a problemelor sunt foarte asemănătoare, prin urmare, de regulă, combinatoria aditivă este considerată parte a aritmeticii. [1] Acest articol descrie numai subiecte care conțin ambele operații de câmp într-o formă sau alta sau inversele lor, adică care nu aparțin combinatoriei pur aditive (deși aceasta din urmă constituie o parte destul de semnificativă a aritmeticii).
În plus, întrebările despre proprietățile aditiv-combinatorii ale subgrupurilor multiplicative și ale mulțimilor înrudite nu sunt atinse aici, deoarece, deși definiția lor este legată de înmulțire, structura lor multiplicativă este rigid fixă, iar componenta combinatorie a acestei științe implică una sau alta. generalitate privind gradul de structura (cel putin cu un parametru care actioneaza ca constanta).
Dezvoltarea combinatoriei aritmetice a fost în mare măsură motivată de apariția teoremei produsului sumă , care vorbește despre creșterea indispensabilă a mulțimilor din aplicarea fie a însumării combinatorii, fie a înmulțirii acesteia, adică una dintre cele două operații:
De aici rezultă că combinarea acestor operații implică și creștere: dacă , atunci
,iar adăugarea unui număr finit de elemente afectează creșterea doar marginal. Deoarece teorema produsului sumă a fost dovedită doar într-o formă slabă (departe de o ipoteză), unii oameni de știință au devenit interesați să obțină afirmații de acest fel care să decurgă din forme mai puternice ale ipotezei decât cele demonstrate și, ulterior, în studiul general. relația dintre rezultatele diferitelor combinații a două câmpuri de operații.
De exemplu, conjectura produsului sumă Erdős-Szemeredy afirmă că [2]
Din această ipoteză ar rezulta că , dar pentru mulțimi un astfel de rezultat poate fi ușor obținut fără el prin simplu raționament combinatoriu. [3]
Această secțiune folosește notația convențională pentru a descrie rezultatele (explicate în notația O ):
Fie o expresie rațională peste mulțimi orice combinație de operații aritmetice ( ) între ele. Operația aici înseamnă aplicarea conform principiului sumelor multiple:
De exemplu, următoarele mulțimi sunt expresii raționale peste :
Prin analogie cu energia aditivă, care este adesea folosită pentru a estima un set de sume, este convenabil să se ia în considerare numărul de soluții ale unei ecuații simetrice cu o expresie rațională. De exemplu,
[patru]O parte esențială a problemelor combinatoriei aritmetice poate fi exprimată prin următoarea formulare a întrebării.
Fie — un câmp (fie infinit, fie suficient de mare dintr-o familie dată de unități finite), — expresii raționale și cel puțin una dintre ele folosește sau și cel puțin una sau . Lasă și pentru unii și stabilește relațiile Întrebare Cum depinde setul de valori posibile ? Notă Dacă câmpul este finit, atunci este adecvat să se completeze setul cu parametrul , unde . [5] |
De exemplu, ipoteza produsului sumă afirmă că dacă , , , atunci (aici ).
De regulă, se dovedește a deriva relații liniare între cantități , adică inegalități între produse și puteri ale diferitelor cantități .
Unele rezultateDespre generalizarea sumelor și produselor:
[6] [7] [8] ; [9] ; [zece] [unsprezece]Despre generalizarea energiilor:
Ideea evaluării expresiilor raționale care combină diferite operații vine din faptul că aplicarea unei operații aditive la o mulțime îl privează de structura sa multiplicativă. Același principiu poate fi extins și în cazul în care mulțimea este schimbată nu printr-o operație combinatorie complexă de adăugare element cu element, ci printr-o schimbare aditivă obișnuită - prin adăugarea unui număr la toate elementele mulțimii. Este de așteptat ca acest lucru să schimbe structura multiplicativă a mulțimii în majoritatea cazurilor (de exemplu, dacă , atunci pentru unele pentru toate sau aproape pentru toate ). [paisprezece]
Întrebare În ceea ce privește un fix (dar arbitrar) proprietăți multiplicative (mărimea mulțimii de produse și energia multiplicativă) ale mulțimilor depind unele de altele . Și, de asemenea, care sunt proprietățile multiplicative comune ale mulțimilor pentru diferite (de exemplu, există estimări non-triviale pe )? |
Ideea combinării adunării și înmulțirii duce în mod natural la luarea în considerare a polinoamelor , adică aceleași expresii raționale, dar în care o variabilă poate apărea de mai multe ori (și astfel să aibă un efect mai complex asupra structurii mulțimii rezultate) . Se dovedește că în acest caz, pentru a asigura o creștere necondiționată, nu este necesar să folosiți trei copii ale mulțimii (ca în expresia ), dar este suficient să alegeți polinomul dorit în două variabile. [22] Bourgain a observat mai întâi o astfel de proprietate pentru polinomul . [23]
De asemenea, prin analogie cu teorema produsului sumă, sunt studiate limitele inferioare ale polinoamelor arbitrare .
Unele rezultatePrimul rezultat al lui Bourgain: dacă . Atunci pentru unii este adevărat că
[24]Când comparăm și , degenerarea polinomului este de mare importanță . Dacă este degenerată, adică o reprezentăm ca , unde sunt polinoame și , atunci ambele sume se pot dovedi a fi mici dacă este o progresie aritmetică, deoarece . Prin urmare, rezultatele sunt formulate numai pentru polinoame nedegenerate:
Există rezultate despre seturile de produse ale unui set de matrice dintr-unul sau altul subgrup de matrice (de exemplu, sau grupul Heisenberg ). Strict vorbind, aceste rezultate se referă la o singură operație de grup ( înmulțirea matricei ), astfel încât acestea pot fi denumite combinatorice aditive . Dar contopirea în cadrul definiției acestei operații atât a adunării, cât și a înmulțirii elementelor [27] , precum și necomutativitatea care decurge din aceasta, fac proprietățile sale foarte atipice în comparație cu operațiile de grup obișnuite, cum ar fi adunarea numerelor reale.
De exemplu, un set de matrici poate crește adesea înmulțindu-se în condiții foarte simple (dimensiune mare, restricție asupra elementelor individuale sau diferență față de subgrupuri).
Unele rezultateMajoritatea rezultatelor despre grupurile de matrice, atunci când sunt despre seturi arbitrare de matrice, analizează valoarea lui , nu . Acesta nu este un accident, ci o necesitate tehnică asociată cu non-comutativitatea. [28]
Metodele analitice pentru studierea creșterii într-un grup și grupurile Chevalley pot fi utilizate pentru a deriva o formă specială a conjecturii Zaremba . [33] [34]