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定理Theorem

Higman 引理

Higman lemma

把良拟序从字母提升到有限字符串的子词嵌入,给出最小坏序列机制并区分子序列、子串和前缀。

形式陈述 ​

设字母集合 (A,⪯) 是良拟序。这里选择字页中“任意符号集合上的有限字”版本:A 可以无限,有限的是每个字的长度。对 u=a1⋯am、v=b1⋯bn,定义 u⪯∗v,若存在严格递增下标

1≤i1<⋯<im≤n,aj⪯bij(1≤j≤m).

Higman 引理说 (A∗,⪯∗) 仍是良拟序。[1] 对有限字母表取相等关系时,这就是散布子词或子序列关系:从 v 删除若干符号即可得到 u,无需连续。

直觉

长度可以无限增长,字母组合也可以无限变化,但若只在乎某种较短模式能否通过删除符号得到,就无法永远制造两两避开的新模式。这个结论让无界消息队列也可能拥有有限阈值表示。

顺序选对很重要。FIFO 消息丢失可以发生在中间位置,因此删除式子词关系与模型一致;只比较队首前缀则没有相同的结构保证。

例子与边界

真正执行一次嵌入检查 ​

对 u=aba、v=baabba,从左到右扫描 v:第一个 a 选位置 2,随后 b 选位置 4,最后 a 选位置 6,故 u⪯∗v。这三个位置不连续,所以不是子串匹配。

有限相等字母表下,始终选最早可匹配位置的贪心算法正确:若某个嵌入把当前字母放在更晚的位置,用更早位置替代只会给后续匹配留下更多余地。两指针实现用 O(|u|+|v|) 时间、常数额外空间。

最小坏序列证明如何缩短反例 ​

先说明有限字母表情形。假设存在无限坏序列。依次选择 w0,w1,…,每步在仍能延续为无限坏序列的词中选最短词。坏序列不含空词,因为空词嵌入所有后继。

写 wi=viai。有限字母表使某个末字母 a 在下标 i0<i1<⋯ 上反复出现。考察

w0,…,wi0−1,vi0,vi1,….

若早期 wj 嵌入某个 vik,它也嵌入 wik,违反原序列坏性;若 vik 嵌入 viℓ,在末尾同时加上 a 就得 wik⪯∗wiℓ,也矛盾。因此新列仍坏,却在第 i0 位用更短的词代替了最短选择,矛盾。

一般 wqo 字母表用末字母的无限非减子列代替相同末字母子列,其他论证不变。存在这种子列是 wqo 的标准等价性质;只有“字母表无限”而没有 wqo 并不足够。

前缀顺序为什么失败 ​

在二字母表上,ab,aab,aaab,… 互不为前缀,因此前缀顺序有无限反链;它们却在子词顺序下依次嵌入。不能把 Higman 引理中的关系随意换成更严格的匹配关系。

若无限字母表取相等关系,各不同单字母词就已构成无限反链,违反字母层面的 wqo 前提。

推论与应用

有损信道系统把消息队列按子词排序;有限控制状态要求相同,多条信道逐分量比较。Higman 引理加有限乘积封闭性给 wqo,消息可丢失则负责迁移兼容性。这两项证明义务不能互相替代。

引理保证没有无限坏序列,不保证它们都短。算法复杂度还依赖每一步允许增加多少消息;有损信道验证可以远远超出通常的指数时间尺度。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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