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关于n个标号顶点集上无三角形图数量的证明问询

关于n个标号顶点集上无三角形图数量的证明问询

你的思路完全找对了方向——从Erdős-Stone-Simonovits定理(针对三角形的情况其实就是Turán定理的渐近形式)出发,确实是证明这个计数结果的核心路径。要得到最终的渐近等式,我们需要分别证明下界上界,两者结合起来就能完成证明:

第一步:证明下界(无三角形图数量至少是$2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$)

我们可以构造一类明确的无三角形图来给出下界:取顶点集$V$的一个划分,分成大小为$\lfloor n/2 \rfloor$和$\lceil n/2 \rceil$的两个子集$A$和$B$,形成完全二部图$K_{\lfloor n/2 \rfloor, \lceil n/2 \rceil}$。

这个完全二部图本身是无三角形的(二部图中不可能有奇环,三角形是3-环,属于奇环),而且它的所有子图也都是无三角形的。我们计算这类子图的数量:

  • $K_{\lfloor n/2 \rfloor, \lceil n/2 \rceil}$的边数是$\lfloor n/2 \rfloor \times \lceil n/2 \rceil = \frac{n^2}{4} - O(n)$,其中$O(n)$是一个线性项,相对于$n2$来说是$o(n2)$量级的。
  • 每个子图对应边集的一个子集,所以子图总数是$2^{\lfloor n/2 \rfloor \times \lceil n/2 \rceil} = 2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$。

这就证明了无三角形图的数量至少是$2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$。

第二步:证明上界(无三角形图数量至多是$2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$)

这部分需要结合Turán定理的稳定性版本(Erdős-Simonovits稳定性定理)来精细化计数:

  1. 先拆分无三角形图的集合
    我们把所有无三角形图分成两类:

    • 第一类:边数$\leq (\frac{1}{4} - \varepsilon)n^2$的无三角形图($\varepsilon$是任意小的正数);
    • 第二类:边数$> (\frac{1}{4} - \varepsilon)n^2$的无三角形图。
  2. 第一类图的数量可以忽略
    这类图的数量最多是所有边数$\leq (\frac{1}{4} - \varepsilon)n2$的图的数量,即$\sum_{k=0}{(\frac{1}{4} - \varepsilon)n^2} \binom{\binom{n}{2}}{k}$。
    利用熵函数的性质,这个和的上界是$2^{\binom{n}{2} \cdot H\left( \frac{(\frac{1}{4} - \varepsilon)n^2}{\binom{n}{2}} \right)}$,其中$H(x)$是二进制熵函数。计算可得$\frac{(\frac{1}{4} - \varepsilon)n^2}{\binom{n}{2}} = \frac{1}{2} - 2\varepsilon + o(1)$,而$H(\frac{1}{2} - 2\varepsilon) < 1$,因此这个和的量级是$2^{(\frac{1}{2} - \delta)n2}$($\delta>0$),远小于我们的目标上界$2{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$,当$n$足够大时可以忽略。

  3. 第二类图的数量被$2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$控制
    根据稳定性定理,任何边数接近Turán数$\text{ex}(n,K_3) = (\frac{1}{4} + o(1))n2$的无三角形图,都“接近”一个完全二部图——也就是说,它可以通过删除/添加$o(n2)$条边变成完全二部图$K_{\lfloor n/2 \rfloor, \lceil n/2 \rceil}$。
    对于这类图:

    • 我们先固定顶点划分$A \cup B$(大小为$\lfloor n/2 \rfloor$和$\lceil n/2 \rceil$),划分方式只有常数种;
    • 跨部边($A$和$B$之间的边)可以任意选择,数量最多是$2^{\lfloor n/2 \rfloor \times \lceil n/2 \rceil} = 2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$;
    • 内部边($A$内部或$B$内部的边)数量最多是$o(n2)$,对应的选择数是$2{o(n^2)}$(因为边数很少,所有可能的子集数是指数级的小量)。

    因此第二类图的总数最多是$O(1) \times 2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2} \times 2{o(n2)} = 2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$。

结论

结合下界和上界,我们就得到了:$n$个标号顶点上的无三角形图数量是$2^{(\frac{1}{4} + o(1))n^2}$,其中$o(1)$当$n \to \infty$时趋于0。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Piglet

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