Złoty podział w sortowaniu
Złoty podział odcinka, zwany też złotą proporcją, jest doskonale znany. Okazuje się, że podobną własność można sformułować dla problemu sortowania...
Definicja. Niech będzie zbiorem częściowo uporządkowanym, czyli zbiorem wyposażonym w relację częściowego porządku spełniającą warunki:
- (zwrotność) dla każdego ;
- (przechodniość) jeśli i to dla każdych ;
- (antysymetryczność) jeśli i to dla każdych
Definicja. Zbiorem liniowo uporządkowanym nazywamy zbiór częściowo uporządkowany, w którym każde dwa elementy są porównywalne, czyli spełniony jest dodatkowy warunek:
- (spójność) lub dla każdych
Definicja. Rozszerzeniem liniowym zbioru częściowo uporządkowanego nazywamy każdy zbiór liniowo uporządkowany który zachowuje relację porządku, czyli Rozszerzenie liniowe utożsamiamy z permutacją elementów zbioru
W dalszym ciągu będziemy rozważać tylko zbiory skończone. Dla przykładu niech Totalnym nieporządkiem na tym zbiorze jest zbiór częściowo uporządkowany taki że nie zachodzi dla dowolnych różnych ma sześć rozszerzeń liniowych:
Sortowanie zbioru częściowo uporządkowanego polega na zadawaniu pytań o relację między jego elementami w celu wybrania jednego z jego rozszerzeń liniowych. Niech będzie zbiorem częściowo uporządkowanym, który chcemy posortować. Jeśli na pytanie o elementy i uzyskamy odpowiedź, że to rozszerzamy relację o tę informację. Wynikiem jest nowa relacja i nowy zbiór częściowo uporządkowany Formalnie relacja jest domknięciem przechodnim relacji uzupełnionej o porównanie
Definicja. Domknięcie przechodnie relacji dwuargumentowej na zbiorze jest to najmniejsza (w sensie inkluzji) relacja przechodnia na zbiorze taka że
Sortowanie kończy się, gdy w wyniku zadawania kolejnych pytań otrzymamy zbiór liniowo uporządkowany. Oczywiście, nie ma sensu zadawanie pytania, na które znamy odpowiedź, czyli pytania o relację między elementami i jeśli lub Dla zachowania ścisłości przyjmujemy, że po zadaniu takiego pytania relacja nie zmienia się.
Wróćmy do naszego przykładu trójelementowego zbioru i totalnego nieporządku na nim. Chcąc go posortować, możemy zadać pytanie o relację między elementami i Jeśli odpowiedzią jest to nadal możliwe są rozszerzenia liniowe
Jeśli natomiast odpowiedź brzmi to pozostają rozszerzenia liniowe
Zauważmy, że wykonanie porównania dzieli zbiór rozszerzeń liniowych na dwa rozłączne podzbiory. Niech oznacza liczbę rozszerzeń liniowych zbioru częściowo uporządkowanego. Łatwo zauważyć, że dla dowolnego zbioru częściowo uporządkowanego jeśli i oznaczają rozszerzenie odpowiednio o warunek i to i przynajmniej jedna z wartości lub jest nie mniejsza niż
Zastanówmy się, jaka jest minimalna liczba porównań potrzebna i zawsze wystarczająca do posortowania danego zbioru częściowo uporządkowanego Gdyby było tak, jak w powyższym przykładzie, że zawsze możemy podzielić zbiór rozszerzeń liniowych na równoliczne podzbiory, to wystarczyłoby porównań. Niestety, nie zawsze jest to możliwe. Rozważany przykład pokazuje, że możemy uzyskać trójelementowy zbiór rozszerzeń liniowych i wtedy najlepszy możliwy do uzyskania podział jest w stosunku Okazuje się, że najprawdopodobniej jest to przypadek najbardziej pesymistyczny. Mówi o tym hipoteza sformułowana wiele lat temu niezależnie przez Kislicyna, Fredmana i Liniala.
Hipoteza 1. Dla dowolnego skończonego zbioru częściowo uporządkowanego który nie jest liniowo uporządkowany, zawsze możemy wskazać dwa elementy, takie że w wyniku ich porównania (niezależnie od wyniku tego porównania) otrzymujemy rozszerzenie dla którego zachodzi
Powyższą hipotezę udowodniono dla wielu przypadków szczególnych, co pozwala wierzyć w jej prawdziwość. Jednak w ogólnym przypadku nadal pozostaje jednym z ważniejszych problemów otwartych teorii zbiorów częściowo uporządkowanych. Prawdziwość tej hipotezy implikuje możliwość posortowania zbioru częściowo uporządkowanego za pomocą maksymalnie porównań (przypomnijmy, że dla ).
Czy można lepiej? Wydaje się, że tak. Autor tego artykułu sformułował kilka lat temu hipotezę złotego podziału dla zbiorów częściowo uporządkowanych.
Hipoteza 2. Dla dowolnego skończonego zbioru częściowo uporządkowanego który nie jest liniowo uporządkowany, zawsze możemy wskazać dwa kolejne porównania, takie że niezależnie od ich wyniku otrzymujemy kolejno rozszerzenia i dla których zachodzi
Hipoteza złotego podziału jest bardziej ogólna od hipotezy Innymi słowy, prawdziwość hipotezy złotego podziału implikuje prawdziwość hipotezy gdyż każdy kontrprzykład dla hipotezy jest również kontrprzykładem dla hipotezy złotego podziału. Załóżmy, że jest kontrprzykładem dla hipotezy Wtedy dla każdego porównania na jeden z jego wyników daje nierówność Oczywiście, dla każdego porównania na możemy wskazać jego wynik, taki że Stąd i otrzymaliśmy kontrprzykład dla hipotezy złotego podziału.
Jak można się domyślić, hipotezy złotego podziału również nie udało się udowodnić w ogólności, ale dowiedziono jej w tak wielu przypadkach szczególnych, że mamy podstawy, aby wierzyć w jej prawdziwość.
Zmierzając do finału, zobaczmy dwa proste twierdzenia, które uzasadniają nazwę hipotezy. Niech będzie -tą liczbą Fibonacciego, rozpoczynając od a stałą złotej proporcji.
Dowód. Dowód prowadzimy przez indukcję. Dla z założenia wynika, że czyli zbiór ma tylko jedno rozszerzenie liniowe, więc jest już posortowany. Dla zachodzi czyli ma co najwyżej dwa rozszerzenia liniowe, które można rozróżnić jednym porównaniem.
Załóżmy teraz, że twierdzenie jest prawdziwe dla i Niech Wybieramy dwa porównania, aby spełnić nierówność gdzie i oznaczają zbiory częściowo uporządkowane otrzymane odpowiednio po pierwszym i drugim porównaniu. Z własności liczb Fibonacciego wynika, że zachodzi przynajmniej jedna z nierówności lub Z założenia indukcyjnego w pierwszym przypadku możemy posortować za pomocą co najwyżej porównań, a w drugim posortować za pomocą co najwyżej porównań. Zatem w obu przypadkach możemy dokończyć sortowanie tak, aby nie przekroczyć porównań.
W powyższym twierdzeniu kres górny jest po wszystkich skończonych zbiorach częściowo uporządkowanych, których dotyczy hipoteza złotego podziału, czyli skończonych i nieuporządkowanych liniowo. Niech będzie takim zbiorem częściowo uporządkowanym. Niech będzie liczbą porównań wymaganych do jego posortowania ( i nie można go posortować za pomocą porównań). Z poprzedniego twierdzenia wynika, że Wiadomo, że ciąg Fibonacciego spełnia nierówność dla zatem
Linial wskazał ciąg zbiorów częściowo uporządkowanych nazywanych drabinami, takich że ma elementów, oraz Rysunek poniżej pokazuje diagramy Hassego kilku początkowych zbiorów i pozwala odgadnąć regułę ich konstrukcji oraz genezę ich nazwy.
Ponieważ
więc mamy
Z powyższych rozważań wnioskujemy, że postulowanego ograniczenia tego nie da się już poprawić. Równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy jest liniowo uporządkowany – wtedy i Zauważmy też, że dla Nieco nieformalnie można powiedzieć, że podczas sortowania każde porównanie może zmniejszyć średnio liczbę rozszerzeń liniowych przynajmniej o współczynnik złotej proporcji. Tak właśnie jest dla drabin. Chcąc posortować drabinę należy porównać dwa jej elementy maksymalne. W wyniku zbiór jej rozszerzeń liniowych o liczności zostaje podzielony na dwa podzbiory o liczności odpowiednio i a problem redukuje się do posortowania odpowiednio drabiny lub