Math Labs

解法: 多項式法によるキャップ集合問題の解決(クロート=レフ=パック、エレンバーグ=ハイスヴァイト、2016年)

ステップ 1/7: キャップ集合問題:進行を含まない集合はどれほど大きくなりうるか
ざっくり言うと

nn 個の三値の特徴で表されるカードで遊ぶゲームSETを思い浮かべてほしい:キャップ集合とは、合法な「セット」をなす3枚が存在しないカードの集まりである(禁止されるパターンとは、まさに F3n\mathbb{F}_3^n における三項等差数列 x+y+z=0x+y+z=0 である)。何十年もの間、最大のキャップ集合について知られていた上界と下界は大きくかけ離れており、キャップ集合が F3n\mathbb{F}_3^n のほぼ全体を占めうるのか、それとも指数的にごくわずかな部分にすぎないのかが未解決のままだった。

A⊆F3n, ∄ x,y,z∈A distinct with x+y+z=0  ⟹  ∣A∣≤O(cn), c<3A \subseteq \mathbb{F}_3^n,\ \nexists\, x,y,z \in A \text{ distinct with } x+y+z=0 \implies |A| \le O(c^n),\ c < 3
詳しい解説

キャップ集合とは部分集合 A⊂F3nA\subset\mathbb{F}_3^n で、x+y+z=0x+y+z=0 を満たす相異なる3点 x,y,z∈Ax,y,z\in A を持たないもの。標数3では −x=x+x-x=x+x が成り立つので、これは 33 つの相異なる元がアフィン直線(すなわち d≠0d\ne0 の等差数列 x,x+d,x+2dx,x+d,x+2d)をなさないことと同値。r3(F3n)=max⁡∣A∣r_3(\mathbb{F}_3^n)=\max|A| と書く。

自明な上界 ∣A∣≤3n|A|\le3^n 以外に指数型の結果は長年なかった。Meshulam (1995) が F3n\mathbb{F}_3^n 上のフーリエ解析で ∣A∣=O(3n/n)|A|=O(3^n/n) を示し、Bateman–Katz (2012) が O(3n/n1+ϵ)O(3^n/n^{1+\epsilon}) に改良したが、自明な界と多項式因子しか違わなかった。一方、最大の構成例(Edel、Tyrell による改良)は約 2.2n2.2^n にすぎず、「成長率は本当に 33 より小さいか」という定性的な問題すら未解決だった。

Ellenberg–Gijswijt (2017) は、Croot–Lev–Pach (2016) が (Z/4Z)n(\mathbb{Z}/4\mathbb{Z})^n に対して得た多項式法の突破口を踏まえてこの問題を決着させた:∣A∣≤O(cn)|A|\le O(c^n)、ただし c=3e−I(2/3)≈2.756c=3e^{-I(2/3)}\approx2.756 が明示される。以降の証明はキャップ集合を消点多項式の問題に変換し、次元数え上げに仕事をさせる。

このステップの用語
キャップ集合
F3n\mathbb{F}_3^n の部分集合 AA で、x+y+z=0x+y+z=0 を満たす相異なる3点 x,y,zx,y,z を含まない、すなわち非自明な三項等差数列を含まないもの。
三項等差数列
yy が xx と zz の平均であるような3つの元 x,y,zx,y,z のこと。F3\mathbb{F}_3 上ではこれはちょうど方程式 x+y+z=0x+y+z=0 に等しい。
このステップで使う知識