Przeskocz do treści

Delta mi!

Kaskady i swaty

Przemysław Kiciak

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: lipiec 2013
  • Publikacja elektroniczna: 30-06-2013
  • Autor: Przemysław Kiciak
    Afiliacja: Wydział Matematyk, Informatyki i Mechaniki, Uniwersytet Warszawski

Często pojawiające się w matematyce zadanie polega na skonstruowaniu funkcji math spełniającej pewne warunki. Między innymi możemy chcieć, aby funkcja ta była różnowartościowa i „na”, co gdyby miało miejsce, oznaczałoby równoliczność zbiorów math i math Punktem wyjścia bywa inna funkcja math która potrzebnych warunków nie spełnia, ale wystarczy ją tylko trochę zmienić.

Przypuśćmy, że mamy taką funkcję math dla której istnieje tylko jedna para elementów math  taka że math  Wtedy możemy wybrać math i przyjąć math i  math Jeśli istnieje math takie że math to wybieramy math i przyjmujemy math itd. Przyjęcie wartości math dla pewnego math „strąca” przywiązanie elementu math do elementu math będącego wartością funkcji math Nazwiemy to kaskadą.

Najprostszym zastosowaniem przedstawionego wyżej sposobu jest udowodnienie, że odcinki math i  math mają tyle samo punktów. Zaczynając od funkcji math takiej że math oraz math dla każdego math określamy funkcję math taką że dla każdego math gdzie math jest liczbą naturalną, przyjmujemy math a dla każdego math które nie jest tej postaci, przyjmujemy math

Użyjemy metody kaskadowej do udowodnienia twierdzenia Halla, znanego też pod nazwą twierdzenia o małżeństwach. Najpierw przypomnijmy problem.

Mamy dane dwa zbiory skończone math  i  math  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 math  Żonę, oczywiście, można mieć tylko jedną, podobnie żadna dziewczyna nie może mieć więcej niż jednego męża. Potrzebna jest zatem funkcja różnowartościowa math  taka że każdy chłopiec math  zna dziewczynę math Taką funkcję math nazywamy skojarzeniem o liczności równej liczbie chłopców math

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 math istnieje (czyli wszystkich chłopców można wyswatać) wtedy i tylko wtedy, gdy dla każdego math dowolnie wybranych chłopców zna w sumie co najmniej math dziewczyn.

Konieczność tego warunku (oznaczymy go math) dla istnienia skojarzenia o liczności math jest oczywista (kto nie jest tego pewny, może przypomni sobie o zasadzie szufladkowej Dirichleta). Udowodnimy, że warunek math jest wystarczający, używając indukcji.

Jeśli math i chłopiec zna co najmniej jedną dziewczynę, to można go wyswatać. Przypuśćmy zatem, że math i twierdzenie jest prawdziwe dla math chłopców, a ponadto dla ustalonego zbioru math chłopców warunek (*) jest spełniony. Tym bardziej jest on spełniony, jeśli pominiemy jednego (dowolnego) chłopca. Możemy więc znaleźć dziewczyny dla pozostałych math chłopców. Pary na razie zaręczamy (zaręczyny, jeśli trzeba, będzie można zerwać). Spróbujemy teraz wyswatać math-tego chłopca; utworzymy z niego zbiór jednoelementowy math  Niech math  oznacza zbiór tych dziewczyn, które math-ty chłopiec zna. Zbiór math  jest niepusty z uwagi na warunek math Jeśli jedna z tych dziewczyn nie ma narzeczonego, to możemy ją zaręczyć z  math-tym chłopcem. W przeciwnym razie niech math  oznacza zbiór chłopców zaręczonych z dziewczynami z  math  Niech teraz math  oznacza zbiór tych dziewczyn, które znają chłopców ze zbioru math  ale nie są z nimi zaręczone.

Jeśli któraś z nich nie ma narzeczonego, to możemy znaleźć w  math  chłopca, który ją zna, odwołać jego dotychczasowe zaręczyny i zaręczyć z tą dziewczyną. Wtedy w zbiorze math  pojawia się dziewczyna niezaręczona, którą można zaręczyć z  math-tym chłopcem.

W przeciwnym razie kolejne zbiory math  (chłopców zaręczonych z dziewczynami z  math ) oraz math  (dziewczyn, które znają chłopców z  math  ale nie są z nimi zaręczone) możemy określać podobnie. Jest jasne, że dla każdego math zbiory math  i  math  są równoliczne. Jeśli dla pewnego math w zbiorze math  znajdzie się niezaręczona dziewczyna, to zaczynając od niej, możemy utworzyć kaskadę. Zrywamy zaręczyny chłopca z  math  który ją zna, i z nim ją zaręczamy, a jego dotychczasowa narzeczona z  math  zostanie nową narzeczoną chłopca z  math  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 math otrzymamy math  Wtedy nie możemy wszystkich chłopców wyswatać, ale to oznacza, że istnieje zbiór chłopców math  dla którego zbiór znanych im dziewczyn math  ma o przynajmniej jedną dziewczynę mniej. No i już. Choć zapewne działalność prawdziwego biura matrymonialnego jest znacznie bardziej skomplikowana.