Kaskady i swaty
Często pojawiające się w matematyce zadanie polega na skonstruowaniu funkcji
spełniającej pewne warunki. Między innymi możemy chcieć,
aby funkcja ta była różnowartościowa i „na”, co gdyby miało miejsce,
oznaczałoby równoliczność zbiorów
i
Punktem wyjścia
bywa inna funkcja
która potrzebnych warunków nie spełnia, ale
wystarczy ją tylko trochę zmienić.
Przypuśćmy, że mamy taką funkcję
dla której istnieje tylko jedna para
elementów
taka że
Wtedy możemy
wybrać
i przyjąć
i
Jeśli
istnieje
takie że
to wybieramy
i przyjmujemy
itd. Przyjęcie wartości
dla pewnego
„strąca” przywiązanie elementu
do
elementu
będącego wartością funkcji
Nazwiemy to
kaskadą.
Najprostszym zastosowaniem przedstawionego wyżej sposobu jest
udowodnienie, że odcinki
i
mają tyle samo
punktów. Zaczynając od funkcji
takiej że
oraz
dla każdego
określamy funkcję
taką
że dla każdego
gdzie
jest liczbą naturalną,
przyjmujemy
a dla każdego
które nie
jest tej postaci, przyjmujemy
Użyjemy metody kaskadowej do udowodnienia twierdzenia Halla, znanego też pod nazwą twierdzenia o małżeństwach. Najpierw przypomnijmy problem.
Mamy dane dwa zbiory skończone
i
których elementy
możemy wyobrazić sobie jako chłopców i dziewczyny. Mamy wyswatać
chłopców, przy czym każdy z nich ma określony zbiór kandydatek na żonę
(upraszczając, powiemy, że je zna), będący podzbiorem zbioru
Żonę,
oczywiście, można mieć tylko jedną, podobnie żadna dziewczyna nie
może mieć więcej niż jednego męża. Potrzebna jest zatem funkcja
różnowartościowa
taka że każdy chłopiec
zna
dziewczynę
Taką funkcję
nazywamy skojarzeniem
o liczności równej liczbie chłopców
Znajdowanie skojarzenia jest oczywiście problemem grafowym; mamy tu graf
dwudzielny, którego każda krawędź łączy chłopca i dziewczynę, którzy się
znają. Skojarzenie można utożsamić z odpowiednim podzbiorem krawędzi.
Twierdzenie Halla mówi, że skojarzenie o liczności
istnieje (czyli
wszystkich chłopców można wyswatać) wtedy i tylko wtedy, gdy dla
każdego
dowolnie wybranych chłopców zna w sumie co
najmniej
dziewczyn.
Konieczność tego warunku (oznaczymy go
) dla istnienia skojarzenia
o liczności
jest oczywista (kto nie jest tego pewny, może przypomni
sobie o zasadzie szufladkowej Dirichleta). Udowodnimy, że warunek
jest wystarczający, używając indukcji.
Jeśli
i chłopiec zna co najmniej jedną dziewczynę, to można go
wyswatać. Przypuśćmy zatem, że
i twierdzenie jest prawdziwe
dla
chłopców, a ponadto dla ustalonego zbioru
chłopców
warunek (*) jest spełniony. Tym bardziej jest on spełniony, jeśli pominiemy
jednego (dowolnego) chłopca. Możemy więc znaleźć dziewczyny dla
pozostałych
chłopców. Pary na razie zaręczamy (zaręczyny, jeśli
trzeba, będzie można zerwać). Spróbujemy teraz wyswatać
-tego
chłopca; utworzymy z niego zbiór jednoelementowy
Niech
oznacza zbiór tych dziewczyn, które
-ty chłopiec zna. Zbiór
jest niepusty z uwagi na warunek
Jeśli jedna z tych
dziewczyn nie ma narzeczonego, to możemy ją zaręczyć z
-tym
chłopcem. W przeciwnym razie niech
oznacza zbiór chłopców
zaręczonych z dziewczynami z
Niech teraz
oznacza zbiór
tych dziewczyn, które znają chłopców ze zbioru
ale nie są z nimi
zaręczone.
Jeśli któraś z nich nie ma narzeczonego, to możemy znaleźć
w
chłopca, który ją zna, odwołać jego dotychczasowe zaręczyny
i zaręczyć z tą dziewczyną. Wtedy w zbiorze
pojawia się dziewczyna
niezaręczona, którą można zaręczyć z
-tym chłopcem.
W przeciwnym razie kolejne zbiory
(chłopców zaręczonych
z dziewczynami z
) oraz
(dziewczyn, które znają
chłopców z
ale nie są z nimi zaręczone) możemy określać
podobnie. Jest jasne, że dla każdego
zbiory
i
są
równoliczne. Jeśli dla pewnego
w zbiorze
znajdzie się
niezaręczona dziewczyna, to zaczynając od niej, możemy utworzyć kaskadę.
Zrywamy zaręczyny chłopca z
który ją zna, i z nim ją zaręczamy,
a jego dotychczasowa narzeczona z
zostanie nową narzeczoną
chłopca z
itd.
Jeśli nie możemy znaleźć niezaręczonej dziewczyny, to określamy
kolejne zbiory chłopców i dziewczyn, ale ten proces musi się zakończyć;
chłopców jest skończenie wielu, a więc dla pewnego
otrzymamy
Wtedy nie możemy wszystkich chłopców wyswatać, ale to
oznacza, że istnieje zbiór chłopców
dla którego zbiór
znanych im dziewczyn
ma o przynajmniej jedną
dziewczynę mniej. No i już. Choć zapewne działalność prawdziwego biura
matrymonialnego jest znacznie bardziej skomplikowana.