2019 年罗马尼亚数学大师赛第三题

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这次中国队在罗马尼亚数学大师赛败北,引起巨大的舆论论战,甚至上了人民日报的评论。以前从来没出现过这种情况。作为吃瓜群众,觉得特别有意思。

1、2019 年大师赛的一些基本情况

罗马尼亚数学大师赛比赛一共 6 个题目,每个题目 7 分。每个国家队有 4 名正式队员,团体成绩取 4 名队员的前三名之和(即去掉表现最差的一名队员)。这种做法对表现最差的队员压力很大,被开除出团体了。

中国队派出了 6 名队员,其中 4 名正式队员,另外两名队员身份不明,可能算替补。其他国家中,韩国队和美国队都只有四名正式队员,但俄罗斯也有两名替补。

中国队的 4 名正式队员的成绩分别为 35 , 23 , 31 , 35 (注意满分为 42 分)。去掉表现最差的 23 分,表现最好的三名正式队员总得分为 101。而美国队表现最好的三名队员得分分别为 40 , 39 , 38 ,总得分为 117 ,比中国队足足高了 16 分。除了美国队,还有俄罗斯、韩国、以色列、塞尔维亚四个国家的总分比中国队高。中国队的团体总分只排到第六名。

中国队有名替补的也得了 35 分,但不能计入团体成绩,否则总得分还能高 4 分。

成绩详情可见官网:http://rmms.lbi.ro/rmm2019/index.php?id=results_math

2、大师赛第三题

这次中国队最大的失分点便在第三题。6 个队员在这一题上总共只得了区区一分,可以算是全军覆没。美国队团体分在这一题上得了 17 分。除这一题外的其它五个题,中国队和美国队是战平的。

韩国队在这一题上的表现也不好。如果不算这一题,韩国队就能排第一名。

2.1、第三题原题

那这一题到底是什么呢?题目如下:

Problem 3. Given any positive real number $\epsilon$, prove that, for all but finitely many positive integers $v$, any graph on $v$ vertices with at least $(1 + \epsilon)v$ edges has two distinct simple cycles of equal lengths.

(Recall that the notion of a simple cycle does not allow repetition of vertices in a cycle.)

Russia, Fedor Petrov

这个题目的distinct容易让人误解为这两个圈的顶点不能重合,但其实两个圈的边不完全一样就可以了。

翻译成中文为:

对任意$\epsilon >0$,当$v$足够大时,任意$v$个点,$(1+\epsilon)v$条边的无向图,必定存在两个相同长度的简单圈。其中简单圈是指图中顶点不重复的圈。

2.2、第三题的官方解答

官方解答见:http://rmms.lbi.ro/rmm2019/index.php?id=problems_math

https://mp.weixin.qq.com/s/nZbym4t9rOKFP-5ROluL7g这里给出了翻译,其中的概率解法尤其精妙。

2019年罗马尼亚数学大师赛第三题概率解法-已翻译成中文

2.3、更直接的一个解答

这个从某个群里看到的,作者是大名鼎鼎的「付」。该证明非常直观和简单。

首先,可假设图中的简单圈的个数最多$v$个圈,否则已经必定存在同等长度的简单圈。

简单取 $m=\sqrt{v}$。假设图中的某条边存在于超过$m$个简单圈中,我们就去掉这条边,然后证明在剩下的图仍有相同长度的的简单圈(当$v$足够大时)。

持续这么操作,直到任何一条简单边最多属于$m$个简单圈。这个操作将去掉最多$v/m$条边,还剩下至少$v(1+\epsilon-\frac1m)$ 条边。

我们知道对于已经有$v+f$条边,至少有$1+f$个简单圈。因此剩下的边至少有 $c=v(\epsilon-\frac1m)$个简单圈。如果这些简单圈的长度都不一样,那么所有简单圈的长度之和至少为$1+2+\cdots+c=\frac{c(c+1)}2$

从另一个角度,由于每条边最多属于$m$个简单圈,因此圈的边数总和最多为$s=v(1+\epsilon)m$

这样我们有不等式:

$$ s \geq \frac{c(c+1)}2 $$

但从数量级上看左边的$s \sim v^{\frac32}$,而右边的$\frac{c(c+1)}2 \sim c^2 \sim v^2$。对于足够大的$v$,该表示式不可能成立,因此必定存在长度相同的简单圈。

其实这种做法可以将多余的边数下降到$\sqrt{v}$的量级,即当边数大于$v+\Theta(\sqrt{v})$时,便必定存在长度相同的简单圈。

3、题目背景

在同一个群里,有人提到题目的背景,转发如下:

该题的原型来自数学大师 Erdos 提出的:即一个 v 个顶点的简单图,至少要加入多少条边才会出现 2 个长度一样的圈?

后来被图论大师 Bondy (滑铁卢大学,法国人)列入自己的著名教材 Graph theory with application 中作为 open problem。

一个很粗略的上界是$2v$,比较精确的上界在 1998 年由乔治亚州大学任教的陈冠涛教授提出为$v+O(c\sqrt{v})$,后来厦门大学赖老师证明了当$v$趋向无穷大的时候,$c$趋向 2.04。

RMM problem3 就是这个问题的弱化版本,证明上界小于$n+\epsilon n$。这是俄罗斯出的题目。

Q. E. D.

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