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解法:多项式方法解决帽集问题(克罗特–列夫–帕赫,埃伦伯格–海斯维克,2016年)

第 3/7 步:克罗特–列夫–帕赫秩引理:消失多项式很稀少
通俗地说

设一个次数有界的多项式 PP 在集合 AA 中任意两个互异点的组合 αa+βb\alpha a+\beta b 处都取零。克罗特、列夫与帕赫的技巧是用取值 Bab:=P(αa+βb)B_{ab} := P(\alpha a+\beta b) 构造一个 ∣A∣×∣A∣|A| \times |A| 矩阵:由于 PP 在对角线之外都为零,该矩阵本质上是对角矩阵,而非零元素多的对角矩阵需要高的秩——但 PP 特有的代数结构使得无论 AA 多大,其秩都保持很小。

∣{a∈A:P(−γa)≠0}∣≤2md/2|\{a \in A : P(-\gamma a) \ne 0\}| \le 2 m_{d/2}
详细分析

埃伦伯格与海斯维克(2017年,命题2,推广了克罗特–列夫–帕赫2016年的引理1)固定满足 α+β+γ=0\alpha+\beta+\gamma=0 的 Fq\mathbb{F}_q 中元素 α,β,γ\alpha,\beta,\gamma。若 P∈Sn≤dP \in S_n^{\le d} 对每个 a≠b∈Aa \ne b \in A 都满足 P(αa+βb)=0P(\alpha a+\beta b)=0,则 ∣{a∈A:P(−γa)≠0}∣≤2md/2|\{a \in A : P(-\gamma a) \ne 0\}| \le 2 m_{d/2}。证明展开 P(αx+βy)P(\alpha x+\beta y):总次数至多为 dd 的每个单项式,其两部分(xx 部分或 yy 部分)之一次数至多为 d/2d/2,于是对某些以次数至多 d/2d/2 的单项式 mm 为下标的多项式 Fm,GmF_m, G_m 有 P(αx+βy)=∑m∈Mnd/2m(x)Fm(y)+∑m∈Mnd/2m(y)Gm(x)P(\alpha x+\beta y) = \sum_{m \in M_n^{d/2}} m(x)F_m(y) + \sum_{m \in M_n^{d/2}} m(y)G_m(x)。在 x=a,y=b∈Ax=a, y=b \in A 处求值,把元素为 Bab:=P(αa+βb)B_{ab} := P(\alpha a+\beta b) 的矩阵 BB 写成 2md/22m_{d/2} 个秩一矩阵之和,于是 rank⁡(B)≤2md/2\operatorname{rank}(B) \le 2m_{d/2}。

本步骤中的术语
矩阵的秩
把一个矩阵写成秩一矩阵(列向量与行向量的外积)之和所需的最少个数;含 kk 个非零元素的对角矩阵的秩恰为 kk。
本步骤用到的知识