В комбинаторной математике и теоретической информатике (классический) шаблон перестановки — это подперестановка более длинной перестановки . Любая перестановка может быть записана в однострочной нотации как последовательность записей, представляющих результат применения перестановки к последовательности 123...; например, последовательность 213 представляет собой перестановку на трех элементах, которая меняет местами элементы 1 и 2. Если π и σ — две перестановки, представленные таким образом (эти имена переменных являются стандартными для перестановок и не связаны с числом pi ), то говорят, что π содержит σ как шаблон , если некоторая подпоследовательность записей π имеет тот же относительный порядок, что и все записи σ.
Например, перестановка π содержит шаблон 213 всякий раз, когда π имеет три записи x , y и z , которые появляются в π в порядке x ... y ... z, но чьи значения упорядочены как y < x < z , так же, как порядок значений в перестановке 213.
Перестановка 32415 на пяти элементах содержит 213 как шаблон несколькими различными способами: 3··15, ··415, 32··5, 324·· и ·2·15 все образуют тройки записей с тем же порядком, что и 213. Обратите внимание, что записи не обязательно должны быть последовательными. Каждая из подпоследовательностей 315, 415, 325, 324 и 215 называется копией , экземпляром или вхождением шаблона. Тот факт, что π содержит σ, записывается более кратко как σ ≤ π.
Если перестановка π не содержит шаблон σ, то говорят, что π избегает σ. Перестановка 51342 избегает 213; она имеет десять подпоследовательностей из трех записей, но ни одна из этих десяти подпоследовательностей не имеет того же порядка, что и 213.
Можно привести доводы в пользу того, что Перси Макмахон (1915) был первым, кто доказал результат в этой области, изучая «решеточные перестановки». [1] В частности, Макмахон показывает, что перестановки, которые можно разделить на две убывающие подпоследовательности (т. е. перестановки, избегающие 123), подсчитываются с помощью каталонских чисел . [2]
Другим ранним знаменательным результатом в этой области является теорема Эрдёша–Секереша ; на языке шаблонов перестановок теорема утверждает, что для любых положительных целых чисел a и b каждая перестановка длины не менее должна содержать либо шаблон , либо шаблон .
Изучение шаблонов перестановок началось всерьез с рассмотрения Дональдом Кнутом стековой сортировки в 1968 году. [3] Кнут показал, что перестановка π может быть отсортирована стеком тогда и только тогда, когда π избегает 231, и что стеко-сортируемые перестановки перечисляются числами Каталана . [4] Кнут также поднял вопросы о сортировке с помощью деков . В частности, вопрос Кнута о том, сколько перестановок из n элементов можно получить с помощью дека, остается открытым. [5] Вскоре после этого Роберт Тарьян (1972) исследовал сортировку сетями стеков, [6] в то время как Воан Пратт (1973) показал, что перестановка π может быть отсортирована деком тогда и только тогда, когда для всех k , π избегает 5,2,7,4,...,4 k +1,4 k −2,3,4 k ,1 и 5,2,7,4,...,4 k +3,4 k ,1,4 k +2,3, и каждой перестановки, которая может быть получена из любой из них путем перестановки последних двух элементов или 1 и 2. [7] Поскольку этот набор перестановок бесконечен (фактически, это первый опубликованный пример бесконечной антицепи перестановок), не сразу ясно, сколько времени потребуется, чтобы решить, можно ли отсортировать перестановку деком. Розенштиль и Тарьян (1984) позже представили линейный (по длине π) алгоритм времени, который определяет, можно ли отсортировать π по деку. [8]
В своей статье Пратт отметил, что этот порядок шаблона перестановки «кажется единственным частичным порядком перестановки, который возникает простым и естественным образом», и в заключение отметил, что «с абстрактной точки зрения» порядок шаблона перестановки «даже более интересен, чем сети, которые мы характеризовали» [7] .
Важной целью в изучении шаблонов перестановок является перечисление перестановок, избегающих фиксированной (и обычно короткой) перестановки или набора перестановок. Пусть Av n (B) обозначает набор перестановок длины n , которые избегают всех перестановок в наборе B . (В случае, если B является синглтоном, скажем, { β }, вместо этого используется сокращение Av n ( β ).) Как отмечено выше, Макмахон и Кнут показали, что |Av n (123)| = |Av n (231)| = C n , n -ое число Каталана. Таким образом, это изоморфные комбинаторные классы .
Simion & Schmidt (1985) была первой статьей, которая была сосредоточена исключительно на перечислении. Среди других результатов Simion и Schmidt подсчитали четные и нечетные перестановки, избегающие шаблона длины три, подсчитали перестановки, избегающие двух шаблонов длины три , и дали первое биективное доказательство того, что 123- и 231-избегающие перестановки являются равночисленными. [9] После их статьи было дано много других биекций, см. обзор Claesson & Kitaev (2008). [10]
В общем случае, если |Av n ( β )| = |Av n ( σ )| для всех n , то β и σ называются эквивалентными по Вильфу . Многие эквивалентности Вильфа вытекают из тривиального факта, что |Av n ( β )| = |Av n ( β −1 )| = |Av n ( β rev )| для всех n , где β −1 обозначает инверсию β , а β rev обозначает обратную β . (Эти две операции порождают диэдральную группу D 8 с естественным действием на матрицах перестановок .) Однако существуют также многочисленные примеры нетривиальных эквивалентностей Вильфа (например, между 123 и 231 ):
Из этих двух эквивалентностей Вильфа и обратной и обратной симметрий следует, что существуют три различные последовательности |Av n ( β )|, где β имеет длину четыре:
В конце 1980-х годов Ричард Стэнли и Герберт Вильф предположили, что для каждой перестановки β существует некоторая константа K такая, что |Av n ( β )| < K n . Это было известно как гипотеза Стэнли–Вилфа , пока ее не доказали Адам Маркус и Габор Тардос . [16]
Закрытый класс , также известный как класс шаблонов , класс перестановок или просто класс перестановок, является нижним набором в порядке шаблонов перестановок. Каждый класс может быть определен минимальными перестановками, которые не лежат внутри него, его базисом . Таким образом, базис для перестановок, сортируемых стеком, — это {231}, в то время как базис для перестановок, сортируемых деком, бесконечен. Производящая функция для класса — это Σ x |π| , где сумма берется по всем перестановкам π в классе.
Поскольку множество перестановок в порядке включения образует частично упорядоченное множество , естественно задать вопрос о его функции Мёбиуса , цель, впервые явно представленная Вилфом (2002). [17] Целью таких исследований является нахождение формулы для функции Мёбиуса интервала [σ, π] в шаблоне перестановки частично упорядоченного множества, которая является более эффективной, чем наивное рекурсивное определение. Первый такой результат был получен Саганом и Ваттером (2006), которые дали формулу для функции Мёбиуса интервала слоистых перестановок . [18] Позднее Бурштейн и др. (2011) обобщили этот результат на интервалы разделимых перестановок . [19]
Известно, что асимптотически не менее 39,95% всех перестановок π длины n удовлетворяют μ(1, π)=0 (то есть главная функция Мёбиуса равна нулю) [20], но для каждого n существуют перестановки π такие, что μ(1, π) является экспоненциальной функцией n . [21]
При наличии перестановки (называемой текстом ) длины и другой перестановки длины (называемой шаблоном ), задача сопоставления шаблонов перестановок (PPM) спрашивает, содержится ли в . Когда и рассматриваются как переменные, известно, что задача является NP-полной , а задача подсчета количества таких совпадений является #P-полной . [22] Однако PPM может быть решена за линейное время , когда k является константой. Действительно, Гийемо и Маркс [23] показали, что PPM может быть решена за время , что означает, что она является фиксированно параметрически разрешимой относительно .
Существует несколько вариантов задачи PPM, как было рассмотрено Брунером и Лакнером. [24] Например, если требуется, чтобы соответствие состояло из смежных записей, то задача может быть решена за полиномиальное время. [25] Другой естественный вариант получается, когда шаблон ограничен надлежащим классом перестановок . Эта задача известна как -Pattern PPM, и было показано, что она разрешима за полиномиальное время для разделимых перестановок . [22] Позднее Елинек и Кинчл [26] полностью решили сложность -Pattern PPM, показав, что она разрешима за полиномиальное время, когда равно одному из 1, 12, 21, 132, 231, 312 или 213, и является NP-полной в противном случае.
Другой вариант — когда и шаблон, и текст ограничены собственным классом перестановок , в этом случае проблема называется -PPM. Например, Гийемо и Виалетт [27] показали, что -PPM может быть решена за время. Альберт , Лакнер, Лакнер и Ваттер [28] позже понизили это до и показали, что та же граница справедлива для класса перекошенных слитых перестановок . Они также спросили, может ли проблема -PPM быть решена за полиномиальное время для каждого фиксированного собственного класса перестановок . На этот вопрос отрицательно ответили Елинек и Кинчл, которые показали, что -PPM на самом деле является NP-полной. [26] Позднее Елинек, Оплер и Пекарек [29] показали, что -PPM является NP-полным для любого числа длины не менее 4, не симметричного одному из чисел 3412, 3142, 4213, 4123 или 41352.
Перестановка π называется β- оптимальной , если никакая перестановка той же длины, что и π, не имеет большего количества копий β. В своем выступлении на встрече SIAM по дискретной математике в 1992 году Вильф определил плотность упаковки перестановки β длины k как
Неопубликованный аргумент Фреда Гэлвина показывает, что величина внутри этого предела не возрастает при n ≥ k , и поэтому предел существует. Когда β монотонна, ее плотность упаковки, очевидно, равна 1, а плотности упаковки инвариантны относительно группы симметрий, порожденных инверсией и реверсом, поэтому для перестановок длины три существует только одна нетривиальная плотность упаковки. Уолтер Стромквист (неопубликованный) разрешил этот случай, показав, что плотность упаковки 132 равна 2 √ 3 − 3 , приблизительно 0,46410.
Для перестановок β длины четыре (в силу симметрии) необходимо рассмотреть семь случаев:
Для трех неизвестных перестановок существуют границы и предположения. Прайс (1997) использовал алгоритм аппроксимации, который предполагает, что плотность упаковки 1324 составляет около 0,244. [30] Биржан Баткеев (не опубликовано) построил семейство перестановок, показывающее, что плотность упаковки 1342 является по крайней мере произведением плотностей упаковки 132 и 1432, приблизительно 0,19658. Предполагается, что это точная плотность упаковки 1342. Пресутти и Стромквист (2010) предоставили нижнюю границу плотности упаковки 2413. Эта нижняя граница, которая может быть выражена в терминах интеграла, составляет приблизительно 0,10474 и, как предполагается, является истинной плотностью упаковки. [32]
k - супершаблон - это перестановка, которая содержит все перестановки длины k . Например, 25314 - это 3-супершаблон, потому что он содержит все 6 перестановок длины 3. Известно, что k -супершаблоны должны иметь длину не менее k 2 / e 2 , где e ≈ 2,71828 - число Эйлера , [33] и что существуют k -супершаблоны длины ⌈( k 2 + 1)/2⌉. [34] Предполагается, что эта верхняя граница является наилучшей возможной, с точностью до членов низшего порядка. [35]
Тип шаблона, определенный выше, в котором записи не обязательно должны появляться последовательно, называется классическим (перестановочным) шаблоном. Если записи должны быть последовательными, то шаблон называется последовательным шаблоном .
Существует несколько способов обобщения понятия «шаблон». Например, винкулярный шаблон — это перестановка, содержащая тире, указывающие, какие соседние пары записей не обязательно должны встречаться последовательно. Например, перестановка 314265 имеет две копии пунктирного шаблона 2−31−4, заданные записями 3426 и 3425. Для пунктирного шаблона β и любой перестановки π мы записываем β(π) для числа копий β в π. Таким образом, число инверсий в π равно 2−1(π), а число спусков равно 21(π). Идя дальше, число долин в π равно 213(π) + 312(π), а число пиков равно 231(π) + 132(π). Эти закономерности были введены Бабсоном и Стейнгримссоном (2000), которые показали, что почти все известные статистики Махона могут быть выражены в терминах винкулярных перестановок. [36] Например, главный индекс числа π равен 1−32(π) + 2−31(π) + 3−21(π) + 21(π).
Другое обобщение — это шаблон с перемычками , в котором некоторые записи перемычки. Для π, чтобы избежать шаблона с перемычками, β означает, что каждый набор записей π, которые образуют копию неперемычек β, может быть расширен для формирования копии всех записей β. Уэст (1993) ввел эти типы шаблонов в своем исследовании перестановок, которые можно было бы отсортировать, дважды пропустив их через стек. [37] (Обратите внимание, что определение Уэста сортировки дважды через стек не то же самое, что сортировка с двумя стеками последовательно.) Другой пример шаблонов с перемычками встречается в работе Буске-Мелу и Батлера (2007), которые показали, что многообразие Шуберта, соответствующее π, является локально факториальным тогда и только тогда, когда π избегает 1324 и 21 3 54. [38]
Конференция по моделям перестановок проводится ежегодно с 2003 года:
Специальные сессии Американского математического общества по закономерностям перестановок проводились на следующих заседаниях:
Другие встречи по шаблонам перестановок:
Другие ссылки: