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Kővári–Sós–Turán 定理

Kővári–Sós–Turán theorem · KST theorem · 科瓦里–索什–图兰定理

通过共同邻域的凸性计数,为不含固定完全二分子图的图给出次二次边数上界。

条目类型
定理

形式陈述

设二分图 G=(X,Y;E) 满足 |X|=m|Y|=n,并且不含一个 s 个顶点在 Xt 个顶点在 YKs,t,其中 s,t2。Kővári–Sós–Turán 定理给出

e(G)(t1)1/smn11/s+(s1)n.

Zarankiewicz 函数记号,即

z(m,n;s,t)(t1)1/smn11/s+(s1)n.

交换两部并同时交换 s,t,还得到

z(m,n;s,t)(s1)1/tnm11/t+(t1)m.

两个界都正确,使用时可取较小者。特别地,固定 2st 且两部同阶时,

z(N,N;s,t)=Os,t(N21/s),ex(N,Ks,t)=Os,t(N21/s).

指数由较小的禁图部大小 s 控制;把它误写成 21/t 会在 s<t 时给出不必要的弱界。

直觉

若图有很多边,右侧顶点平均会连接许多左侧点,于是每个右侧顶点贡献大量 s 元邻点组。另一方面,固定的左侧 s 元组最多被 t1 个右侧顶点共同连接,否则它与这 t 个共邻点组成 Ks,t。同一批“中心在右、叶在左的 s 星”既有由度数凸性给出的下界,又有禁图条件给出的上界;比较两边便限制总边数。

双重计数骨架

d(y)=|N(y)|。数所有满足 SN(y)|S|=s 的二元组 (S,y),得到

yY(d(y)s)(t1)(ms).

右端的 t1 正对应右侧允许的最大共同邻点数。若平均度 e(G)/ns1,离散凸性给出

yY(d(y)s)n(e(G)/ns).

再用 (xs)(xs+1)s/s!(ms)ms/s!,整理即得定理。若平均度小于 s1,线性误差项已直接覆盖。这个推导也固定了参数方向:求和遍历 Y,选择的是 X 中的 s 元组。

例子与边界

s=t=2。定理化为

z(m,n;2,2)mn+n.

m=n=N 时得到 N3/2+N。在 3×3 情形,这个通式只给 z8.19,取整数为至多 8;直接保留二项式计数则能证明精确值是 6。因此 KST 是统一渐近上界,不承诺每个小参数上精确。

K2,2,有限射影平面的点—线关联图给出同阶 Ω(N3/2) 下界,说明指数 3/2 正确。对一般固定 stN21/s 的匹配下界在若干范围和构造中成立,尤其当 t 相对 s 足够大;但不能据此声称所有 s,t 的常数乃至数量级都已解决。许多具体 Zarankiewicz 问题仍是开放的。

m,n 极不平衡时,线性误差项可能主导,且转置后的界可能更强。只背诵对称写法 O(N21/s) 会抹去这种方向信息。定理也只排除普通子图;若要求诱导 Ks,t、有向矩形或带符号模式,星计数上界必须重新检查。

推论与应用

KST 定理证明所有固定完全二分禁图的极值数为 o(N2),并给出显式幂次,补足Erdős–Stone 定理在二分情形只给零密度的不足。对一般二分禁图,先把它嵌入足够大的 Ks,t 也可得到某个次二次上界,尽管通常并不最优。

共同邻域计数广泛用于禁四圈图、关联几何、集合相交与数据库矩形问题。依赖随机选择保留了同一核心直觉,却不只数平均的 s 元组:它从高平均度中抽取一个较大顶点集,使其中每个小子集都有许多共邻点,从而可以贪心嵌入结构更复杂的二分图。

参考资料
  • Tamás Kővári, Vera T. Sós, and Paul Turán, “On a problem of K. Zarankiewicz,” Colloquium Mathematicum 3 (1954), 50–57.
  • Béla Bollobás, Extremal Graph Theory, Academic Press, 1978, Chapter VI, Section 2.
  • Zoltán Füredi and Miklós Simonovits, “The history of degenerate (bipartite) extremal graph problems,” in Erdős Centennial, Springer, 2013, 169–264.
  • Yufei Zhao, Graph Theory and Additive Combinatorics: Exploring Structure and Randomness, Cambridge University Press, 2023, Section 1.4.
关系图谱4 个相邻概念 · 2 类关系

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