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.