Teorema del árbol de Kruskal

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En matemáticas , el teorema del árbol de Kruskal establece que el conjunto de árboles finitos sobre un conjunto de etiquetas bien cuasi ordenado es en sí mismo bien cuasi ordenado bajo incrustación homeomórfica .

El teorema fue conjeturado por Andrew Vázsonyi y demostrado por Joseph Kruskal (1960); Crispin Nash-Williams (1963)  dio una prueba breve  . Desde entonces se ha convertido en un ejemplo destacado en matemáticas inversas como una afirmación que no se puede demostrar en ATR ₀ (una teoría aritmética de segundo orden con una forma de recursión transfinita aritmética ).

En 2004, el resultado se generalizó de los árboles a los grafos como el teorema de Robertson-Seymour , un resultado que también ha demostrado ser importante en matemáticas inversas y conduce a la función SSCG de crecimiento aún más rápido , que eclipsa a . Una aplicación finita del teorema da la existencia de la función TREE de crecimiento rápido .${\displaystyle {\text{ÁRBOL}}(3)}$

La versión que se da aquí es la que demostró Nash-Williams; la formulación de Kruskal es algo más sólida. Todos los árboles que consideramos son finitos.

Dado un árbol T con una raíz y dados los vértices v , w , llame a w un sucesor de v si el camino único desde la raíz hasta w contiene a v , y llame a w un sucesor inmediato de v si, además, el camino desde v hasta w no contiene ningún otro vértice.

Consideremos que X es un conjunto parcialmente ordenado . Si T ₁ , T ₂ son árboles con raíz cuyos vértices están etiquetados en X , decimos que T ₁ es inf-incrustable en T ₂ y escribimos si existe una función inyectiva F desde los vértices de T ₁ a los vértices de T ₂ tal que:$Estilo de visualización T_{1}\leq T_{2}}$

• Para todos los vértices v de T ₁ , la etiqueta de v precede a la etiqueta de ;${\estilo de visualización F(v)}$
• Si w es cualquier sucesor de v en T ₁ , entonces es un sucesor de ; y${\estilo de visualización F(w)}$${\estilo de visualización F(v)}$
• Si w ₁ , w ₂ son dos sucesores inmediatos distintos de v , entonces el camino de a en T ₂ contiene .$Estilo de visualización F(w_{1})}$$Estilo de visualización F(w_{2})}$${\estilo de visualización F(v)}$

El teorema del árbol de Kruskal establece entonces:

Si X está bien cuasi ordenado , entonces el conjunto de árboles enraizados con etiquetas en X está bien cuasi ordenado bajo el orden inf-incrustable definido anteriormente. (Es decir, dada cualquier secuencia infinita T ₁ , T ₂ , … de árboles enraizados etiquetados en X , hay alguno tal que .)${\displaystyle i<j}$$Estilo de visualización T_{i}\leq T_{j}}$

Para un conjunto de etiquetas contables X , el teorema del árbol de Kruskal se puede expresar y demostrar utilizando aritmética de segundo orden . Sin embargo, al igual que el teorema de Goodstein o el teorema de París-Harrington , algunos casos especiales y variantes del teorema se pueden expresar en subsistemas de aritmética de segundo orden mucho más débiles que los subsistemas donde se pueden demostrar. Esto fue observado por primera vez por Harvey Friedman a principios de la década de 1980, un éxito temprano del campo entonces naciente de las matemáticas inversas. En el caso en el que los árboles anteriores se toman como no etiquetados (es decir, en el caso en el que X tiene tamaño uno), Friedman encontró que el resultado era indemostrable en ATR ₀ , ^[1] dando así el primer ejemplo de un resultado predicativo con una prueba impredicativa demostrable. ^[2] Este caso del teorema todavía se puede demostrar mediante Π¹
₁-CA ₀ , pero al añadir una "condición de brecha" ^[3] a la definición del orden en los árboles anterior, encontró una variación natural del teorema indemostrable en este sistema. ^{[4] [5]} Mucho más tarde, el teorema de Robertson-Seymour daría otro teorema indemostrable por Π¹
₁-CA ₀ .

El análisis ordinal confirma la fuerza del teorema de Kruskal, donde el ordinal de prueba teórica del teorema es igual al pequeño ordinal de Veblen (a veces confundido con el pequeño ordinal de Ackermann ). ^[6]

Supongamos que la afirmación es:$Estilo de visualización P(n)$

Hay algún m tal que si T ₁ , ..., T _m es una secuencia finita de árboles enraizados no etiquetados donde T _i tiene vértices, entonces para algún .${\estilo de visualización i+n}$$Estilo de visualización T_{i}\leq T_{j}}$${\displaystyle i<j}$

Todas las afirmaciones son verdaderas como consecuencia del teorema de Kruskal y del lema de König . Para cada n , la aritmética de Peano puede demostrar que es verdadera, pero la aritmética de Peano no puede demostrar que la afirmación " es verdadera para todo n ". ^[7] Además, la longitud de la prueba más corta de en la aritmética de Peano crece fenomenalmente rápido en función de n , mucho más rápido que cualquier función recursiva primitiva o la función de Ackermann , por ejemplo. ^{[ cita requerida ] La} m mínima para la cual se cumple crece de manera similar extremadamente rápido con n .$Estilo de visualización P(n)$$Estilo de visualización P(n)$$Estilo de visualización P(n)$$Estilo de visualización P(n)$$Estilo de visualización P(n)$

Definamos , la función de árbol débil, como la m más grande de modo que tengamos lo siguiente:${\displaystyle {\text{árbol}}(n)}$

Hay una secuencia T ₁ , ..., T _m de árboles enraizados no etiquetados, donde cada T _i tiene como máximo vértices, tales que no se cumple para ningún .${\estilo de visualización i+n}$$Estilo de visualización T_{i}\leq T_{j}}$${\displaystyle i<j\leq m}$

Se sabe que , , (aproximadamente 844 billones), (donde es el número de Graham ), y (donde el argumento especifica el número de etiquetas ; ver más abajo) es mayor que${\displaystyle {\text{árbol}}(1)=2}$${\displaystyle {\text{árbol}}(2)=5}$${\displaystyle {\text{tree}}(3)\geq 844,424,930,131,960}$${\displaystyle {\text{tree}}(4)\gg g_{64}}$${\displaystyle g_{64}}$${\displaystyle {\text{TREE}}(3)}$${\displaystyle \mathrm {tree} ^{\mathrm {tree} ^{\mathrm {tree} ^{\mathrm {tree} ^{\mathrm {tree} ^{8}(7)}(7)}(7)}(7)}(7).}$

Para diferenciar las dos funciones, "ÁRBOL" (con todas las letras en mayúsculas) es la función ÁRBOL grande, y "árbol" (con todas las letras en minúsculas) es la función árbol débil.

Al incorporar etiquetas, Friedman definió una función de crecimiento mucho más rápido. ^[8] Para un entero positivo n , tome ^[a] como el m más grande de modo que tengamos lo siguiente:${\displaystyle {\text{TREE}}(n)}$

Hay una secuencia T ₁ , ..., T _m de árboles enraizados etiquetados a partir de un conjunto de n etiquetas, donde cada T _i tiene como máximo i vértices, de modo que esto no se cumple para ningún .${\displaystyle T_{i}\leq T_{j}}$${\displaystyle i<j\leq m}$

La secuencia TREE comienza , , y de repente, explota a un valor que es tan grande que muchas otras constantes combinatorias "grandes", como , , y el número de Graham , ^[b] de Friedman son extremadamente pequeñas en comparación. Un límite inferior para , y, por lo tanto, un límite inferior extremadamente débil para , es . ^{[c] [9]} El número de Graham, por ejemplo, es mucho más pequeño que el límite inferior , que es aproximadamente , donde es la función de Graham .${\displaystyle {\text{TREE}}(1)=1}$${\displaystyle {\text{TREE}}(2)=3}$${\displaystyle {\text{TREE}}(3)}$${\displaystyle n(4)}$${\displaystyle n^{n(5)}(5)}$${\displaystyle n(4)}$${\displaystyle {\text{TREE}}(3)}$${\displaystyle A^{A(187196)}(1)}$${\displaystyle A^{A(187196)}(1)}$${\displaystyle g_{3\uparrow ^{187196}3}}$${\displaystyle g_{x}}$

• Teorema de París-Harrington
• Teorema de Kanamori-McAloon
• Teorema de Robertson-Seymour

^ Friedman originalmente denotó esta función como TR [ n ].

^ b n ( k ) se define como la longitud de la secuencia más larga posible que se puede construir con un alfabeto de k letras tal que ningún bloque de letras x _i ,...,x _{2 i} sea una subsecuencia de ningún bloque posterior x _j ,...,x _{2 j} . ^[10] .${\displaystyle n(1)=3,n(2)=11,\,{\textrm {and}}\,n(3)>2\uparrow ^{7197}158386}$

^ c A ( x ) tomando un argumento, se define como A ( x , x ), donde A ( k , n ), tomando dos argumentos, es una versión particular de la función de Ackermann definida como: A (1, n ) = 2 n , A ( k +1, 1) = A ( k , 1), A ( k +1, n +1) = A ( k , A ( k +1, n )).

Citas

Bibliografía

• Friedman, Harvey M. (2002). "Incrustaciones internas de árboles finitos". En Sieg, Wilfried; Feferman, Solomon (eds.). Reflexiones sobre los fundamentos de las matemáticas: ensayos en honor a Solomon Feferman . Apuntes de clase sobre lógica. Vol. 15. Natick, Mass.: AK Peters . pp. 60–91. ISBN 978-1-56881-170-3. Sr.  1943303.
• H. Gallier, Jean (septiembre de 1991). "¿Qué tiene de especial el teorema de Kruskal y el ordinal Γ0? Un estudio de algunos resultados en teoría de la demostración" (PDF) . Anales de lógica pura y aplicada . 53 (3): 199–260. doi : 10.1016/0168-0072(91)90022-E . MR  1129778.
• Kruskal, JB (mayo de 1960). "Well-Quasi-Ordering, The Tree Theorem, and Vazsonyi's Conjecture" (PDF) . Transacciones de la American Mathematical Society . 95 (2). American Mathematical Society : 210–225. doi :10.2307/1993287. JSTOR  1993287. MR  0111704.
• Marcone, Alberto (2005). Simpson, Stephen G. (ed.). "Teoría WQO y BQO en subsistemas de aritmética de segundo orden" (PDF) . Matemáticas inversas . Apuntes de clase de lógica. 21. Cambridge: Cambridge University Press : 303–330. doi :10.1017/9781316755846.020. ISBN. 978-1-316-75584-6.
• Nash-Williams, C. St. JA (octubre de 1963). "Sobre árboles finitos bien ordenados" (PDF) . Actas matemáticas de la Sociedad filosófica de Cambridge . 59 (4): 833–835. Bibcode :1963PCPS...59..833N. doi :10.1017/S0305004100003844. ISSN  0305-0041. MR  0153601. S2CID  251095188.
• Rathjen, Michael; Weiermann, Andreas (febrero de 1993). "Investigaciones teóricas de la prueba sobre el teorema de Kruskal" (PDF) . Anales de lógica pura y aplicada . 60 (1): 49–88. doi :10.1016/0168-0072(93)90192-G. MR  1212407.
• Simpson, Stephen G. (1985). "No demostrabilidad de ciertas propiedades combinatorias de árboles finitos". En Friedman, Harvey; Harrington, LA; Scedrov, A.; et al. (eds.). Investigación de Harvey Friedman sobre los fundamentos de las matemáticas . Estudios de lógica y los fundamentos de las matemáticas. Ámsterdam; Nueva York: Holanda Septentrional . págs. 87–117. ISBN 978-0-444-87834-2.
• Smith, Rick L. (1985). "La fuerza de la consistencia de algunas formas finitas de los teoremas de Higman y Kruskal". En Friedman, Harvey ; Harrington, LA (eds.). La investigación de Harvey Friedman sobre los fundamentos de las matemáticas . Estudios de lógica y los fundamentos de las matemáticas . Vol. 117. Ámsterdam ; Nueva York: Holanda Septentrional . págs. 119–136. doi :10.1016/s0049-237x(09)70157-0. ISBN 978-0-444-87834-2.