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方法Method

依赖随机选择

施工中 · 内容逐步修订

Dependent random choice · DRC · 依赖随机选取

随机抽取一组顶点并取其公共邻域,从平均稠密性中提炼出对所有小子集都成立的共邻结构。

形式陈述 ​

依赖随机选择是一族从高平均度图中寻找“每个小子集都有许多共同邻点”的方法。一个标准引理如下。设 G 是 n≥1 点有限简单无向图,平均度为 d;若正整数 r,t,m 与实数 a>0 满足

dtnt−1−(nr)(mn)t≥a,

则存在 U⊆V(G),使 |U|≥a,并且每个 r 元子集 S⊆U 都有至少 m 个共同邻点:

|N(S)|=|⋂v∈SN(v)|≥m.

二分图版本从一侧有放回地抽取 t 个顶点,并在另一侧取共同邻域;公式相应使用两侧大小和该方向上的平均度。例如有 e 条边、两侧大小为 a,b 时,两侧平均度分别为 e/a 与 e/b,对应不同的抽样公式。

直觉

随机选一个顶点时,高度顶点更容易落入它的邻域;同时选 t 个顶点再取公共邻域,会把这种偏好放大到 t 次方。因此高连接度的顶点在公共邻域中获得更大的权重。所得集合起初仍可能含少数“坏”的 r 元组,方法再为每个坏组删掉一个顶点,用很小的规模损失换取对所有剩余 r 元组的统一保证。

依赖随机选择的公共邻域筛选

名称中的“依赖”指最终选出的顶点通过共享随机样本而相关,并非先假设原图边独立。输入图可以完全确定;随机性只存在于证明过程。它是概率方法:通过期望界证明至少一次抽样达到所需规模与结构。

引理证明 ​

从 V(G) 独立均匀、有放回地取 t 个顶点组成多重集 T,令 A=N(T)。对每个顶点 v,事件 v∈A 的概率为 (d(v)/n)t。对凸函数 x↦xt 在 [0,∞) 上应用有限等权Jensen 不等式,得到

E|A|=∑v(d(v)n)t≥dtnt−1.

令 Z 为 A 中共同邻点少于 m 的坏 r 元组数。每个坏组 S 被包含于 A 的概率小于 (m/n)t,故

EZ≤(nr)(mn)t.

由一阶矩,某次抽样满足 |A|−Z≥a。从每个坏组删除一个顶点,剩余集合大小至少 |A|−Z,且不再含坏 r 元组。条件式中的两项分别控制初始集合规模与删除损失。

例子与边界

设二分图左侧为 A={a1,…,a5},右侧为 B={b1,…,b4},并令

N(b1)={a1,a2,a3,a4},N(b2)={a1,a2,a3,a5},N(b3)={a1,a2,a4,a5},N(b4)={a1,a3,a4,a5}.

从 B 有放回取两个点。共同邻域期望为

∑i=15(d(ai)4)2=1+4(34)2=134.

若恰抽到 b1,b2,得到 N(b1)∩N(b2)={a1,a2,a3};其中任意两点在原图中至少有两个共同的 B 侧邻点。这个轨迹展示抽样对象是共同邻域,而不是随机保留边。

引理控制的是 U 中各个 r 元组在原图里的共同邻域。二分图例子中的 U 位于同一侧,内部甚至没有边,却具有所需的共邻性质。对更大的顶点组、嵌入计数或算法效率,可以进一步设计迭代、嵌套或确定化版本。

推论与应用

有了“每个小子集都有许多共邻点”,可以按一侧顶点的顺序贪心嵌入二分图:每放入一个新顶点,都从尚未耗尽的共同邻域选像。由此可证明一侧最大度至多 r 的固定二分图拥有 O(n2−1/r) 型极值上界,并处理细分图、偶圈和 Ramsey 型嵌入。

KST 定理也围绕共同邻域计数,但直接把总量上界与度数凸性下界比较。上述 DRC 引理则独立地抽样、控制坏组并删点,得到一个子集中“每个小组都有许多共邻”的一致性;其证明没有调用 KST 的极值结论。二者可以用于相近的密度尺度,DRC 的一致性还便于嵌入更复杂的二分图,却不替代具体 Zarankiewicz 问题中的精确计数。

参考资料
  • Jacob Fox and Benny Sudakov, “Dependent random choice,” Random Structures & Algorithms 38 (2011), 68–99.
  • Noga Alon and Joel H. Spencer, The Probabilistic Method, 4th ed., Wiley, 2016, “Probabilistic Lens: Turán Numbers and Dependent Random Choice,” p. 317.
  • Yufei Zhao, Graph Theory and Additive Combinatorics: Exploring Structure and Randomness, Cambridge University Press, 2023, Section 1.7.
关系图谱7 个相邻概念 · 3 类关系

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