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/ NetNews Usenet Archive 1992 #23 / NN_1992_23.iso / spool / sci / math / 13316 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-10-16  |  3.7 KB

  1. Path: sparky!uunet!mcsun!uknet!pavo.csi.cam.ac.uk!gjm11
  2. From: gjm11@cus.cam.ac.uk (G.J. McCaughan)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: Combinatorics Problem (probably easy)
  5. Message-ID: <1992Oct16.162318.17437@infodev.cam.ac.uk>
  6. Date: 16 Oct 92 16:23:18 GMT
  7. References: <1992Oct15.232815.26763@u.washington.edu>
  8. Sender: news@infodev.cam.ac.uk (USENET news)
  9. Organization: U of Cambridge, England
  10. Lines: 62
  11. Nntp-Posting-Host: bootes.cus.cam.ac.uk
  12.  
  13. In article <1992Oct15.232815.26763@u.washington.edu> cxu@milton.u.washington.edu (Chongguang Xu) writes:
  14.  
  15. > I have a conjecture about a combinatorics question which I have been 
  16. > unable to prove.  I'm hoping someone on the net knows the answer or
  17. > can give me a reference.
  18. >
  19. > Given a set S of k elements, let A be the largest family of subsets of S
  20. > such that for every two elements a and b of A, b is not a substet of a.  
  21. > My conjecture is that the cardinality of A is C(k, [k/2]), where C(p,q)
  22. > is the binomial coefficient, and [c] is the floor of c.  I can prove that 
  23. > the cardinality of A is at least that big, but I can't prove it can't 
  24. > be bigger.
  25.  
  26. Your conjecture is true, and is in fact a well known theorem!
  27. There are at least two substantially different ways to prove it; here is
  28. a nice short one.
  29.  
  30. Consider maximal nested chains of subsets of S; in other words, we start with
  31. the empty set and throw in one element at a time until we have all of S.
  32. Obviously there are exactly k! such chains.
  33. We ask now: How many chains does a particular set lie in? Well, a set X (with
  34. r elements, say) lies in a given chain if the first r elements added in making
  35. the chain are the elements of X, in some order; and then, of course, the k-r
  36. elements remaining are added after this.
  37. So X lies in r!(k-r)! maximal chains.
  38. Now let A be a family of subsets of S such that none is contained in any other.
  39. Then if X,Y are in A there is no maximal chain going through both of them, for
  40. that would imply one a subset of the other. So if we write M(X) for the set of
  41. all maximal chains including X, all the M(X) with X in A are disjoint.
  42. But M(X) has r!(k-r)! elements, so the sum over all X of r!(k-r)! is at most
  43. k!, so the sum over all X of r!(k-r)!/k! is at most 1. But this is the sum
  44. of the reciprocals of (k choose r), and (k choose r) is maximal when r is
  45. k/2 (give or take 1/2, when k is odd). We are done!
  46.  
  47. Here is (a sketch of) another proof, which gives a bit more insight into why
  48. the result is true.
  49.  
  50. First, some definitions:
  51. An "r-set" is a set with r elements, contained in S.
  52. Given a collection X of r-sets, its "s-shadow" is the collection of s-sets 
  53. which either contain (if r<s) or are contained in (if r>s)  sets of X.
  54. In particular, the "upper shadow" of X is its (r+1)-shadow and its "lower
  55. shadow" is its (r-1)-shadow.
  56.  
  57. Now, we can prove that (size of X)/(k choose r) is at most
  58. (size of s-shadow of X)/(k choose s). We do this by successively taking
  59. upper or lower shadows (depending on whether r<s or r>s); then at each
  60. stage most of the factors in the binomial coefficients cancel and we are
  61. left with a straightforward inequality which we prove by considering how
  62. many r-sets have a given shadow, and how many sets are in the shadow of
  63. a given r-set. (There is some abuse of notation here. Never mind.)
  64.  
  65. Now just take lots of upper and lower shadows successively, noting that
  66. because of the no-subsets condition we never get unexpected overlaps, sort of.
  67. Do it in such a way as to move everything in to s=k/2 (or floor(k/2) if k is
  68. odd). We're done.
  69.  
  70. Filling in the details here really isn't very tricky, by the way.
  71.  
  72. -- 
  73. Gareth McCaughan     Dept. of Pure Mathematics & Mathematical Statistics,
  74. gjm11@cus.cam.ac.uk  Cambridge University, England.    [Research student]
  75.