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Erdős–Stone 定理

Erdős–Stone theorem · Erdős–Stone–Simonovits theorem · 厄多斯–斯通定理

固定禁图的色数决定其极值数的二次主项,而不决定低阶误差与精确取等结构。

条目类型
定理

形式陈述

H 是至少含一条边的固定图,并令

r=χ(H)11.

Erdős–Stone–Simonovits 定理的极值数形式为

ex(n,H)=(11r+o(1))(n2),n.

因此极值密度满足

π(H)=11χ(H)1.

分母是 χ(H)1,而不是 χ(H);归一化使用 (n2)。例如 χ(H)=3 时密度极限为 1/2,对应边数主项 n2/4,这两个数不能混写。

一个更有结构的版本写作:固定 r1ε>0,存在 c=c(r,ε)>0,使每个充分大的 n 点图若

e(G)(11r+ε)(n2),

就含有完全 (r+1) 部图 Kr+1(t),其中每部大小 t=clogn。固定图 Hχ(H)=r+1,总能嵌入某个固定部大小的 Kr+1(t),于是得到上面的渐近公式。

直觉

色数把 H 的顶点压缩成 r+1 个独立颜色类。若宿主图的密度固定超过 r 部 Turán 密度,密集连接便不仅迫使一个 Kr+1,还迫使各顶点被复制多次的完全多部结构;当每部足够大时,它容得下 H 的各颜色类。禁图内部有多少边、颜色类是否均衡,只影响需要多大的复制和低阶误差,不影响二次主项。

下界方向极其具体:Turán 图 Tr(n)r 部图,任何子图也至多需要 r 色,所以它不可能含 χ(H)=r+1H。故

ex(n,H)tr(n).

上界方向才是定理的核心。若只需嵌入固定的 H,一条标准证明路线借Szemerédi 正则性引理把图压缩成有限约化图,在约化图中用Turán 定理找到团,再以计数引理提升出足以容纳 H 的固定大小 blow-up。前述 t=Θ(logn) 的结构版还需要更细的放大论证;基础计数引理本身只对预先固定的目标图给出统一控制。

例子与边界

五圈 C5 的色数为 3,所以

ex(n,C5)=(12+o(1))(n2)=n24+o(n2).

下界由完全二分图给出,因为二分图不含奇圈。定理却没有声称对每个 n 都有 ex(n,C5)=n2/4,也没有仅凭色数刻画全部取等图;这些属于更精确的问题。

H 是二分图,则 χ(H)=2r=1,公式只给

ex(n,H)=o(n2).

它不能分辨 K2,2n3/2 尺度、树的线性尺度或不同偶圈的幂次。此时需转向Zarankiewicz 型问题、偶圈方法或依赖随机选择。若 H 没有边,则 χ(H)=1,上述分母无意义;“至少含一条边”不是装饰性条件。

定理固定 H 后令 n。若禁图 H=Hnn 增长,嵌入所需的部大小也增长,o(1) 不能保持统一。类似地,结构版中 t 只有对数阶,不能误写成固定正比例的 n

推论与应用

该定理把稠密图的普通禁子图极值问题按色数分成两类:色数至少三时,主项是正的二次密度;二分禁图时,密度极限为零,次二次阶成为真正信息。它也说明具有相同色数的禁图共享主项,却可能拥有完全不同的误差项。

Erdős–Simonovits 稳定性进一步表明,H-free 图若接近这个主项,就在编辑距离上接近 Tr(n)超饱和定理则说明密度固定超过主项后会出现 Θ(nv(H)) 量级的 H 副本。三者依次给出阈值、近阈值结构与越阈值计数。

参考资料
  • Paul Erdős and Arthur H. Stone, “On the structure of linear graphs,” Bulletin of the American Mathematical Society 52 (1946), 1087–1091.
  • Paul Erdős and Miklós Simonovits, “A limit theorem in graph theory,” Studia Scientiarum Mathematicarum Hungarica 1 (1966), 51–57.
  • Béla Bollobás, Extremal Graph Theory, Academic Press, 1978, Chapter VI (“Complete Subgraphs”).
  • Yufei Zhao, Graph Theory and Additive Combinatorics: Exploring Structure and Randomness, Cambridge University Press, 2023, Section 1.5.
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