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Zarankiewicz 问题

Zarankiewicz problem · Zarankiewicz function · z(m,n;s,t)

在固定尺寸的零一矩阵中排除全一子矩阵,等价地求定向禁止完全二分子图时的最大边数。

条目类型
定义

形式陈述

固定正整数 m,n,s,t。本文采用带方向的约定:对二分图 G=(X,Y;E),令 |X|=m|Y|=n,并禁止一个左侧取 s 点、右侧取 t 点的完全二分子图。Zarankiewicz 函数定义为

z(m,n;s,t)=max{e(G):|X|=m, |Y|=n, Ks,tG 且 s 点位于 X}.

G 写成 m×n 的零一关联矩阵,边对应元素 1,禁用条件正是不存在由 s 行与 t 列交出的全一子矩阵。于是 Zarankiewicz 问题是极值图问题在完全二分禁图与预先指定两侧大小下的特例。

转置矩阵给出严格对称式

z(m,n;s,t)=z(n,m;t,s).

它同时交换部大小与禁图两侧参数。若只交换 s,t 而保持 m,n 不动,一般没有理由数值不变;文献采用不同参数顺序时,必须先确认“s 点在哪一侧”。

直觉

全一 s×t 子矩阵表示 s 个左侧对象共同连接到同一组 t 个右侧对象。要放入许多 1 又避免这种共同邻域,不能只控制每行或每列的总和,还要让不同行的 1 尽量少地反复重叠。问题的核心因而是“高密度”与“低共邻重复”之间的张力。

这也解释了它与一般非二分极值问题的差异。完全二分禁图的色数只有二,Turán 密度为零;答案的有效信息藏在次二次幂次和常数中。几何中的点—线关联、集合族的交模式和通信矩阵中的禁矩形都直接产生同一零一矩阵问题。

例子与边界

考虑 z(3,3;2,2)。矩阵

(110011101)

61,任意两行只在一列同时为 1,所以没有 2×2 全一子矩阵;对应二分图是一条六圈。现在证明不能放入 71:七个 1 分到三列后,列和至少可写成 3,2,2 或更不均衡,故同列中行对的总出现次数至少

(32)+(22)+(22)=5.

三行只有 (32)=3 对,鸽巢原理迫使某对行在至少两列同时为 1,形成禁用矩形。因此 z(3,3;2,2)=6

参数 s=1t=1 会退化成度数约束。例如禁止一个左点连接 t 个右点时,每个左点度至多 t1,答案立即线性;经典研究通常假设 s,t2。若 s>mt>n,禁图根本放不下,答案就是 mn

普通极值数 ex(N,Ks,t) 不预先指定二分划分,Zarankiewicz 函数则固定两侧并带方向。通过取二分子图和把二分图视为普通图,可在适当对称参数下互相给出常数因子界,但二者不是逐参数相等的记号。尤其在 mn 高度不平衡时,保留两变量比把总顶点数压成 N=m+n 更有信息。

推论与应用

Kővári–Sós–Turán 定理通过数共同邻域给出 z(m,n;s,t) 的通用上界;有限几何的关联图则在若干参数上提供匹配或近匹配下界。K2,2-free 情形等价于二分图无四圈,也是配置几何与纠错码中反复出现的模型。

在理论计算机科学中,零一通信矩阵里的大全一矩形对应一组输入对共享同一输出行为;禁矩形界可转化为电路、数据结构和显式图构造的限制。依赖随机选择则反向利用高密度必然产生大共同邻域,帮助嵌入更一般的稀疏二分图。应用时仍需核对它保证的是哪一侧的共同邻域以及参数是否固定。

参考资料
  • Kazimierz Zarankiewicz, “Problem P 101,” Colloquium Mathematicum 2 (1951), 301.
  • Tamás Kővári, Vera T. Sós, and Paul Turán, “On a problem of K. Zarankiewicz,” Colloquium Mathematicum 3 (1954), 50–57.
  • Zoltán Füredi and Miklós Simonovits, “The history of degenerate (bipartite) extremal graph problems,” in Erdős Centennial, Bolyai Society Mathematical Studies 25, Springer, 2013, 169–264.
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