2012年4月11日水曜日

van der Waerdenの定理,Graham-Rothschildの定理

記号を一つ用意する.正整数nに対して,[1,n]と書いたら,正整数の列{1,2,,n}とする.
さて,van der Waerdenの定理
「任意の正整数 l, rに対して正整数N(l,r)が存在して,C:[1,N(l,r)][1,r]に 対して正整数a,dが存在して,C(a+xd), x=1,,lは一定値」
という主張がある.つまり,Cは区間[1,N(l,r)]r個の色に塗り分けていると思えば,同じ色の有限等差数列a+xd, (x=1,,l)が存在するというものである.

この証明は,例えば,ア・ヤ・ヒンチン著,蟹江訳の「 数論の3つの真珠 (はじめよう数学) に載っているのだが,比較的複雑なものである.

主張を一般化(高次元化)した,Graham-Rothschildの定理というものがあって,次の主張S(l,m)が任意の正整数l,mに対して成立することを主張する:
S(l,m): 任意のrに対して,或るN(l,m,r)が存在して次を満たす:任意の C:[1,N(l,m,r)][1,r]に対して,或るa,d1,,dm(>0)が存在して,C(a+i=1mxidi)は,[1,l]mの各l同値類上で定数」,
ここで,l同値というのは,次のように定義される:
(x1,,xm),(x1,,xm)[0,l]ml同値とは,
  • 全てのi=1,,mに対して,xi<l, xi<lであるか,もしくは
  • 最後にlが現れる所まで成分が一致している,つまり,
    • あるkに対してxk=xk=l, かつ,
    • xj<l, xj<lk<jm)かつ
    • xi=xi1ik).
このとき(x1,,xm)l(x1,,xm)と書く.
この証明を,2回ほどに分けて述べてみたい.主張は一般化されているが,そうすると意外なことに,証明はずっと簡潔になる.

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