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Dilworth 定理

Dilworth's theorem

有限偏序集的最大反链大小等于覆盖全部元素所需的最少链数。

条目类型
定理

形式陈述

Dilworth 定理断言:对任意底集为有限集的偏序集 P,最大反链大小等于把 P 分割成链所需的最少链数,即

w(P)=min{k:P 可分割为 k 条链}.

一个方向直接来自鸽巢原理:任一链与反链至多相交一个元素,所以含 w(P) 个元素的反链迫使任何链分解至少使用 w(P) 条链。反方向可通过二分图最大匹配—最小顶点覆盖、归纳或最小链分解的交换论证证明。对偶的 Mirsky 定理称最少反链分解数等于最大链大小。

直觉

定理把一个极大“横截面”与覆盖整个偏序所需的最少“纵线”精确配平。下界显然:一条链至多包含反链中的一个元素;困难在于证明这个障碍已经是唯一障碍,总能用恰好宽度条链覆盖。匹配证明把“某元素可接到更大元素”编码为二分图边,使链首尾拼接转化为匹配大小。

例子与边界

在任务依赖偏序中,宽度就是无限处理器下可同时进行的最大任务数,也是将任务分成顺序流水线所需的最少条数。布尔格的中间层反链由 Sperner 定理给出宽度,而 Dilworth 保证存在同样多条链的分解。定理中的“分割”要求每个元素恰属于一条链,不是仅用链覆盖允许重叠。有限性是本条版本的重要条件;无限偏序有需要选择原则和基数条件的推广,不能直接套用有限匹配证明。Dilworth 与 Mirsky 互为序关系反转意义下的相关结果,但结论中的链/反链分解方向不同。

在除法偏序 {1,2,3,6} 中,最大反链可取 {2,3},大小为二;两条链 1<2<6 与单点链 3 覆盖全部元素。任何一条链都无法同时包含 2,3,所以一条不够。注意“划分为链”要求每个元素恰出现一次;允许重叠覆盖不会降低由反链给出的下界,但会模糊等号的组合含义。

推论与应用

它以链与反链为极值对象,并可通过Hall 婚配定理或最大匹配证明。任务依赖偏序中,最少处理器链数等于最大同时不可比较任务数;在二分图中,这条对应又通向Kőnig 定理和最小路径覆盖算法。

参考资料
  • Richard P. Stanley, Enumerative Combinatorics, Vol. 1, 2nd ed., Cambridge University Press, 2011,Ex. 3.77(d), Dilworth’s theorem for finite posets。
  • Garrett Birkhoff, Lattice Theory, 3rd ed., American Mathematical Society, 1967,Ch. V, decomposition theorems for partially ordered sets。
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