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解法: フランクル–ウィルソンの定理によるカーン=カライのボルスク予想の反証

ステップ 3/7: フランクル–ウィルソンの交叉定理:欠けていた代数的道具
ざっくり言うと

ペーター・フランクルとリチャード・ウィルソンは1981年に、同じ大きさの集合の族が、一つの特定の交わりの大きさを禁止したときにどれほど大きくなり得るかについて、驚くほど精密な限界を証明した:たった一つの「禁じられた重なり」を排除するだけで、その族は天文学的な大きさから、通常の二項係数によって制御できる大きさへと崩れ落ちる。彼らの証明は組合せ論における「線形代数の方法」の初期の勝利である:各集合を多項式に変え、それらの多項式が線形独立でなければならないことを示し、それらが属する空間の次元からいくつ存在しうるかの限界を読み取る。

∣K∣≤2(n−1n/4−1)(Frankl–Wilson, 1981; n=4k, k prime power)|\mathcal K| \le 2\binom{n-1}{n/4-1} \qquad \text{(Frankl–Wilson, 1981; } n=4k,\ k \text{ prime power)}
詳しい解説

定理(フランクル–ウィルソン、1981年)。kk を素数冪、n=4kn = 4k とする。K\mathcal{K} を {1,…,n}\{1, \ldots, n\} の n/2n/2-部分集合の族で、K\mathcal{K} 内のどの二つの集合もちょうど n/4n/4 個の要素で交わらないものとする。このとき ∣K∣≤2(n−1n/4−1)|\mathcal K| \le 2\binom{n-1}{n/4-1} である。

この限界の際立った特徴はその形にある:nn 元集合の n/2n/2-部分集合の総数は (nn/2)\binom{n}{n/2} であり、これは(次元に対して)限界 2(n−1n/4−1)2\binom{n-1}{n/4-1} よりも指数的に大きい。この限界は、わずかに小さい台集合からのサイズおよそ n/4n/4 の部分集合しか数えていない。したがって、たった一つの交わりの大きさを禁止するという、極めて緩い制約に聞こえるものが、族をあらゆる可能な集合のうちの消えていく割合へと押し込め、その差は n→∞n \to \infty とともに際限なく広がる。フランクルとヴォイチェフ・レードルによる密接に関連した結果は、エルデシュの問いに答えるもので、k=n/4k=n/4 が素数冪であることを要求せずに、四で割り切れる任意の nn に対して同じ仮定の下で、より弱いが類似した限界 ∣K∣≤(1.99)n|\mathcal K| \le (1.99)^n を与える。

このステップの用語
線形代数の方法(組合せ論)
組合せ論的な族のサイズを、各メンバーに多項式やベクトルを対応させ、それらがある種のベクトル空間において線形独立であることを示し、族がその空間の次元より大きくないと結論づけることによって限界づける証明技法。
このステップで使う知識