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爱多士–图兰加法基猜想

《组合设计中的 50 个公开问题》 · 问题 42 专题综述

题面若 A 是 ℤ 的渐进加法基,其表示函数可以有界吗?

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

A ⊂ ℕ 是渐进加法基:每个充分大的整数都能写成 a+a′(a,a′ ∈ A)。表示函数 r(n) = #{(a,a′): a+a′=n}。爱多士–图兰猜想(1941):渐进基的表示函数必然无界——lim sup r(n) = ∞。所有已知 «薄基»(|A∩[1,x] ~ x1/2 型的稀疏基)的表示函数都无界增长(且构造时 «故意» 让 r(n) 振荡);但 «无界是必然» 五十年未证。已证的弱版:Sárközy–Szemerédi 1978——r(n) 在平均意义下无界(见命题 3)。

主要概念

薄基与 «补集» 构造

渐进基的 «最薄» 可能:计数给出 |A∩[1,x| ≥ x1/2·(1−o(1))(每对盖一个数);Raikov–Stöhr 构造达到(二进制 «分位» 集合:A = «22k 位» ∪ «22k+1 位» 的拼合)。薄基的 r(n) 在构造中 «设计为 1 或 2»——«完美的薄基»(r 恒 ≤2)是否存在正是猜想的内容:猜想断言 «不存在»(任何基必在某些 n 上 «堆积»)。

平均无界的机器

Sárközy–Szemerédi 用 «二阶矩»:若 r(n) 有界(≤L),则 Σr² ≤ L·Σr;而 «基性» 强迫 Σr(n) ≥ x(所有 n≤x 被表示)。矛盾方向需要 «Σr² 的下界超越 Lx»——他们用 «大篮子» 论证(«集合的差» 结构)证得 Σr² ≥ x log… x 型,从而 L 必随 x 增长——«平均 L → ∞»。

主要命题与证明

命题 1(薄基的下界,完整证明) 若 A 是 [1,x] 的基(每个 1..x 可表示),则 |A∩[1,x]| ≥ √(2x)−o(√x)。

证明 每个 «和» 由无序对 {a,a′}(含 a=a′)给出,m 个元素的集合至多产生 m(m+1)/2 个 «和»(允许重复计数前的不重复和数上界)。要覆盖 [1,x] 的全部 x 个数:m(m+1)/2 ≥ x ⟹ m ≥ √(2x)−O(1)。□

命题 2(Raikov–Stöhr 薄基,1948–57;构造+表示函数) 存在渐进基 A,|A∩[1,x| ≤ C√x log x(«近薄»),其表示函数 r(n) 无界但 «缓慢» 增长——构造按二进制 «位带» 分配(偶数位带表示 «低位»、奇数位带表示 «高位», carry 的处理使 «某些 n 的表示数» 堆积)。

说明 «近薄且 r 缓慢增长» 与 «r 有界» 之间的鸿沟正是猜想:所有构造都 «带着无界尾巴»,没人能证明尾巴必然存在。□

命题 3(Sárközy–Szemerédi 平均无界,1978;陈述) 若 A 是渐进基,则 r(n) 在平均意义下必然无界——表示函数不可能 «平均有界»。证明用 «二阶矩» 与 «集合的差结构» 的计数联合。

说明 «平均无界» 与猜想所求的 «逐点无界»(lim sup r(n) = ∞)之间的定量鸿沟是剩余困难:平均口径允许 «堆积被稀疏化»,逐点口径要求 «存在具体的大值»——«从均方到尖峰» 的最后一步五十年未跨。□

进展与文献

Erdős–Turán 1941;Raikov–Stöhr 的薄基构造;Sárközy–Szemerédi 1978;Hegyvári–Hennecart 的基表示专题;Tao–Vu 的加法组合教材第 8 章。开放核心:猜想本体(lim sup r=∞ 的证明);«有界表示的基不存在» 的任何新必要条件;与 «非负整数集的表示» 一般理论(«加法基的集合论» )的整合。

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