La PizarraMatemática.

Máster y doctorado

Combinatoria extrema y aditiva

La combinatoria extrema pregunta cuánto podemos tener sin que aparezca una configuración prohibida. La aditiva pregunta cuántos resultados distintos producen las sumas de conjuntos. Dibujaremos un grafo sin triángulos y una tabla de sumas para construir los dos tipos de argumento desde sus recuentos.

1. Probar un máximo necesita una cota y una construcción que la alcance

Si buscamos el máximo de aristas sin triángulos, un dibujo con muchas aristas demuestra que ese tamaño se puede alcanzar. Para demostrar que es el máximo hace falta además que ningún grafo permitido pueda tener más.

Trabajamos con grafos finitos simples no dirigidos. Un triángulo son tres vértices unidos por sus tres parejas. Prohibirlo permite otros ciclos, por ejemplo de longitud cuatro. Permitir aristas repetidas cambiaría el problema y sus cotas.

Una construcción sola no prueba optimalidad

Encontramos un grafo sin triángulos de cinco vértices con cinco aristas.

  1. Existencia

    El máximo es al menos cinco.

  2. Falta

    Todavía podría haber uno con seis o más.

  3. Objetivo

    Hay que dar una cota superior válida para todos.

Resultado

Un ejemplo es una cota inferior del máximo.

Lo comprobamos

No se invierte el sentido de la desigualdad.

Prohibir triángulos no significa prohibir todo ciclo

Ciclo 1−2−3−4−1.

  1. Aristas

    Tiene cuatro.

  2. Triángulos

    Ningún conjunto de tres vértices contiene sus tres parejas.

  3. Ciclo

    Sí existe uno de longitud cuatro.

Resultado

Este grafo pertenece a la familia sin triángulos y no es un árbol.

Lo comprobamos

Las diagonales {1,3} y {2,4} no están presentes.

2. Mantel da una cota ajustada mediante una bipartición equilibrada

El teorema de Mantel afirma que un grafo simple sin triángulos con n vértices tiene como máximo ⌊n²/4⌋ aristas. La construcción que alcanza ese valor divide los vértices en dos partes de tamaños ⌊n/2⌋ y ⌈n/2⌉ y conecta todas las parejas entre partes.

La construcción bipartita alcanza la cota sin triángulos
Cinco vértices: partes 2 y 3a1a2b1b2b3Aristas: 2·3=6Parte entera de 25/4: 6Sin triángulos; sí tiene ciclos.
Grafo bipartito completo con dos vértices a la izquierda y tres a la derecha. Se dibuja exactamente una arista por cada pareja entre partes, seis en total, y ninguna dentro de una parte. Los cruces de líneas no son nuevos vértices. Un recorrido por aristas cambia de parte en cada paso y no puede cerrar tras tres pasos; por eso no hay triángulos. El grafo sí tiene ciclos de longitud cuatro. Con cinco vértices, Mantel da suelo de veinticinco sobre cuatro igual seis y esta construcción alcanza la cota, probando el máximo para ese tamaño.

No se conectan parejas dentro de una parte. Cada arista cambia de parte; después de tres cambios no podemos volver a la parte inicial. Por tanto no hay triángulos. Los cruces de líneas del dibujo no añaden vértices.

Cinco vértices

Dividimos en partes dos y tres.

  1. Aristas

    Cada uno de los dos se conecta a los tres: 2·3=6.

  2. Cota

    ⌊25/4⌋=6.
  3. Conclusión

    La construcción alcanza el máximo permitido: seis.

Resultado

La cota superior y el dibujo ajustado completan la prueba para ese tamaño.

Lo comprobamos

Aunque sea bipartito, este grafo puede tener ciclos pares.

Siete vértices

Partes tres y cuatro.

  1. Construir

    3·4=12 aristas, sin triángulos.
  2. Cota

    ⌊49/4⌋=12.
  3. Óptimo

    Nadie puede superar doce dentro de esa familia.

Resultado

La paridad de n se incorpora con suelo y techo.

Lo comprobamos

No se redondea 49/4 hacia arriba.

3. Los grados prueban la cota sin enumerar todos los grafos

Supongamos n≥1 y m>0.

Si uv es arista y no hay triángulos, N(u) y N(v) son disjuntos: un vecino común cerraría uno.

Por tanto d(u)+d(v)≤n.

Al sumar por todas las aristas, cada d(v) aparece d(v) veces, de modo que Σd(v)²≤nm.

Cauchy–Schwarz da \sum_v d(v)^2\ge\frac{(\sum_v d(v))^2}{n}=\frac{4m^2}{n}.

Combinar y dividir por m>0 da m≤n²/4.

Como m es entero, se toma el suelo. Si m=0, la cota se cumple directamente; no se divide por cero.

Comprobar la igualdad en un ejemplo ajustado

K₂,₃ tiene grados tres, tres, dos, dos y dos.

  1. Suma

    La suma de grados es doce, igual a dos veces seis aristas.

  2. Cuadrados

    9+9+4+4+4=30, igual a n·m=5·6.
  3. Cauchy

    4m²/n=144/5≤30; el suelo final ajusta el máximo entero a seis.

Resultado

La primera desigualdad puede ser igualdad aunque Cauchy no lo sea para n impar.

Lo comprobamos

La cota continua n²/4 no tiene que ser un entero.

Los extremos de una arista no pueden compartir un vecino

Arista uv y otro vértice w unido tanto a u como a v.

  1. Tres parejas

    uv,uw y vw están presentes.

  2. Figura

    Forman un triángulo.

  3. Contradicción

    En un grafo sin triángulos no puede ocurrir.

Resultado

La condición prohibida se convierte en una desigualdad sobre vecindarios.

Lo comprobamos

Disjuntos son N(u) y N(v); no se está diciendo que todos los vecindarios del grafo sean disjuntos.

4. Equilibrar las partes maximiza las conexiones permitidas

Un bipartito completo con partes a y n−a tiene a(n−a) aristas.

Completar el cuadrado da a(n-a)=n^2/4-(a-n/2)^2.

Se maximiza eligiendo a tan próximo como sea posible a n/2.

Turán generaliza la idea: al prohibir K_{r+1}, la construcción extrema es un grafo completo r-partito con partes equilibradas. Con r≥3 se permiten triángulos entre tres partes distintas. Cambia la configuración prohibida y no se reutiliza la cota n²/4 como si fuera universal.

Comparar repartos del mismo tamaño

Ocho vértices con partes 1+7, 2+6, 3+5 y 4+4.

  1. Productos

    Siete, doce, quince y dieciséis.

  2. Equilibrio

    El máximo se alcanza en cuatro y cuatro.

  3. Cuadrado

    16−(a−4)² cuantifica cuánto se pierde al desequilibrar.

Resultado

El reparto explica la forma del extremal, además de su número de aristas.

Lo comprobamos

Los vértices dentro de cada parte siguen sin conectarse.

Cambiar el patrón prohibido

Siete vértices en tres partes 3,2,2, completas entre partes.

  1. Aristas

    3·2+3·2+2·2=16.
  2. Triángulo

    Elegir un vértice de cada parte sí forma uno.

  3. K₄

    Cuatro vértices obligan a repetir parte y esa pareja no tiene arista; no hay K₄.

Resultado

No contradice Mantel: este grafo permite triángulos.

Lo comprobamos

El teorema correspondiente prohíbe ahora K₄.

5. El conjunto suma cuenta resultados y la tabla cuenta parejas

Para A y B finitos en un grupo abeliano, A+B={a+b:a∈A,b∈B}.

Hay |A||B| parejas ordenadas con un elemento de cada conjunto, pero varias pueden dar el mismo resultado. Un conjunto elimina las repeticiones.

Varias parejas pueden producir el mismo elemento del conjunto suma
A={0,1,2}; B={0,2}Columnas: elementos de A002113224026 parejas; 5 resultados distintosA+B={0,1,2,3,4}El 2 aparece en dos parejas.
Tabla de sumas de A igual cero uno dos y B igual cero dos. Las tres columnas recorren A y las dos filas B. Los seis resultados con multiplicidad son cero uno dos y dos tres cuatro. El dos aparece en dos casillas, resaltado en rojo, porque puede obtenerse como dos más cero o cero más dos. El conjunto suma contiene cero uno dos tres cuatro, cinco elementos, aunque hay seis parejas. La tabla cuenta parejas mientras el conjunto elimina repeticiones. No se interpretan los colores como probabilidades ni las filas como nuevos elementos de A.
En enteros, con A y B no vacíos, |A|+|B|−1≤|A+B|≤|A||B|.

La cota superior cuenta parejas. Para la inferior ordenamos A y B y usamos una cadena estrictamente creciente: a₁+b₁<…<a_{r}+b₁<a_{r}+b₂<…<a_{r}+b_{s}. Contiene r+s−1 sumas distintas.

Una tabla con una repetición

A={0,1,2} y B={0,2}.

  1. Fila de cero

    Cero, uno y dos.

  2. Fila de dos

    Dos, tres y cuatro.

  3. Conjunto

    A+B={0,1,2,3,4}: cinco resultados, aunque hay seis parejas.

Resultado

El dos procede de dos parejas diferentes.

Lo comprobamos

No se cuentan esas dos casillas como dos elementos distintos del conjunto.

Encontrar la cadena que garantiza un mínimo

A={1,4,7}, B={2,5}.

  1. Cadena

    1+2<4+2<7+2<7+5.
  2. Valores

    Tres, seis, nueve y doce.

  3. Tamaño

    Son cuatro sumas, igual a |A|+|B|−1.

Resultado

La cadena prueba una cota inferior sin necesitar listar todas las parejas.

Lo comprobamos

La suma completa podría contener todavía más valores.

6. Las progresiones aritméticas producen muchas coincidencias de sumas

Para A={0,…,m}, A+A={0,…,2m}.
Si s≤m usamos s+0; si s>m usamos m+(s−m).

Por tanto hay 2m+1 resultados, frente a (m+1)² parejas.

Una progresión de r términos con paso no nulo en los enteros también tiene 2r−1 sumas distintas consigo misma. Traslación y cambio de paso mantienen ese recuento. Tener crecimiento pequeño sugiere estructura, pero no significa que todo conjunto sea literalmente un intervalo de enteros consecutivos.

Producir todos los resultados intermedios

A={0,1,2,3,4}.

  1. Extremos

    Las sumas van de cero a ocho.

  2. Realizar

    Por ejemplo siete es cuatro más tres; cualquier otro intermedio se construye igual.

  3. Tamaño

    A+A tiene nueve elementos, no veinticinco.

Resultado

Muchas parejas chocan en los mismos resultados.

Lo comprobamos

La explicación cubre todos los valores, no solo los extremos.

El paso puede ser distinto de uno

A={10,13,16}.

  1. Sumas

    20,23,26,29 y 32.

  2. Repetición

    26 puede ser diez más dieciséis o trece más trece.

  3. Recuento

    Hay cinco resultados: 2·3−1.

Resultado

Una progresión trasladada y escalada conserva el recuento de la progresión básica.

Lo comprobamos

En un grupo finito el cambio de escala necesita revisar si es invertible.

7. El grupo donde sumamos puede cambiar la cota inferior

La prueba de la cadena usa el orden de los enteros compatible con suma.

En un grupo finito, un subgrupo H satisface H+H=H.

Por eso la cota 2|H|−1 no puede imponerse allí de forma general.

En ℤ/pℤ, con p primo, Cauchy–Davenport afirma |A+B|≥min(p,|A|+|B|−1) para A y B no vacíos. El mínimo respeta el tamaño del grupo y la primalidad excluye los subgrupos propios no triviales que pueden impedir el crecimiento. Se trata de un teorema adicional; la cadena ordenada no es su prueba modular.

Una suma modular en un primo

En ℤ/5ℤ, A={0,1,3} y B={0,2}.

  1. Sin reducir

    Las parejas dan 0,1,3,2,3,5.

  2. Módulo cinco

    El cinco se convierte en cero: A+B={0,1,2,3}.
  3. Cota

    min(5,3+2−1)=4 y aquí se alcanza.
Resultado

El ambiente modular cambia colisiones y tamaño total disponible.

Lo comprobamos

No se conserva el cinco como elemento nuevo.

Por qué importa el módulo primo

En ℤ/6ℤ, H={0,2,4}.

  1. Cerrar

    La suma de dos residuos pares sigue siendo uno de esos tres residuos.

  2. Resultado

    H+H=H, con tamaño tres.
  3. Comparar

    min(6,3+3−1)=5 no sería una cota válida aquí.

Resultado

La fórmula de Cauchy–Davenport no se extiende sin condiciones a cualquier módulo.

Lo comprobamos

Se ha cambiado una hipótesis esencial del teorema.

8. La energía aditiva cuenta cuántas parejas chocan con otras parejas

Sea r(s) el número de parejas (a,b)∈A² cuya suma es s.
Entonces \sum_s r(s)=|A|^2.

La energía E(A)=\sum_s r(s)^2 cuenta cuádruplas ordenadas con a+b=c+d: para cada s se puede elegir una pareja de r(s) formas y la otra también.

Cauchy–Schwarz da |A|^4=(\sum_s r(s))^2\le |A+A|\sum_s r(s)^2, así que E(A)≥|A|⁴/|A+A|. Un conjunto suma pequeño obliga a muchas colisiones. E(A) no es una probabilidad ni solo el número de sumas repetidas.

Calcular toda la energía

A={0,1,2}.

  1. Multiplicidades

    Para sumas 0,1,2,3,4 son 1,2,3,2,1.

  2. Parejas

    La suma de multiplicidades es nueve.

  3. Energía

    1²+2²+3²+2²+1²=19; la cota inferior es 3⁴/5=81/5.
Resultado

Diecinueve cuenta cuádruplas, mientras cinco cuenta resultados y nueve parejas.

Lo comprobamos

Cada cantidad mide un objeto distinto.

Un caso aún más pequeño

A={0,2}.

  1. Resultados

    Cero, dos y cuatro, con multiplicidades 1,2,1.

  2. Energía

    1+4+1=6.
  3. Cota

    |A|⁴/|A+A|=16/3≤6.
Resultado

La fórmula se comprueba sin ocultar las repeticiones por orden.

Lo comprobamos

Las parejas (0,2) y (2,0) son distintas en el recuento de A².

9. Las desigualdades se leen en el sentido de la pregunta

En problemas extremos se combina un límite superior con una construcción. En conjuntos suma, una cota inferior demuestra crecimiento mínimo; una energía grande indica colisiones, pero por sí sola no determina exactamente la forma del conjunto.

Resultados estructurales más profundos, como los de tipo Freiman, requieren enunciar sus condiciones y la conclusión precisa sobre progresiones generalizadas. Los recuentos elementales anteriores no autorizan a clasificar cualquier conjunto solo por una razón de duplicación.

Crecimiento pequeño no significa intervalo consecutivo

A={0,1,3}.

  1. Sumas

    A+A={0,1,2,3,4,6}.
  2. Razón

    |A+A|/|A|=6/3=2.
  3. Forma

    A no es una progresión aritmética de tres términos: sus dos saltos son uno y dos.

Resultado

Una razón pequeña no implica literalmente una progresión de un único paso.

Lo comprobamos

Un teorema estructural más preciso permite conclusiones más amplias que esa clasificación falsa.

Unificar el tipo de certificado

Queremos un máximo de aristas y un tamaño de conjunto suma.

  1. Máximo

    Un grafo permitido de tamaño q prueba máximo≥q; una desigualdad universal prueba máximo≤q.

  2. Suma

    Una tabla completa de parejas permite eliminar repeticiones y obtener el conjunto exacto.

  3. Revisar

    En ambos casos se indica qué objetos se han contado y qué hipótesis permiten generalizar.

Resultado

Una cuenta clara conecta el ejemplo con el resultado que de verdad demuestra.

Lo comprobamos

No se presenta una cota como si siempre fuera una igualdad.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Sin triángulos

Halla el máximo de aristas sin triángulos en 6 vértices.

  1. Fijar la familia

    Grafos simples sin triángulos con seis vértices.

  2. Cota superior

    Mantel da m≤⌊36/4⌋=9.
  3. Construir

    Tomamos dos partes de tres vértices y todas las parejas entre ellas.

  4. Contar

    K₃,₃ tiene 3·3=9 aristas.
  5. Excluir triángulos

    Cada arista cambia de parte y tres pasos no pueden cerrar un ciclo.

  6. Máximo

    La cota se alcanza: el máximo es nueve.

Resultado

El máximo es 9.

Lo comprobamos

Se ha dado cota superior y construcción.

EJEMPLO RESUELTO 2

Conjunto suma

Calcula A+A para A={0,1,2}.

  1. Leer el conjunto

    A={0,1,2}.
  2. Sumar cero

    Produce 0,1,2.

  3. Sumar uno

    Produce 1,2,3.

  4. Sumar dos

    Produce 2,3,4.

  5. Eliminar repeticiones

    A+A={0,1,2,3,4}, con cinco elementos.
  6. Comprobar

    Hay nueve parejas, pero varias comparten resultado; todos los enteros entre cero y cuatro aparecen.

Resultado

A+A={0,1,2,3,4}.

Lo comprobamos

Tiene 5 elementos, no 9.

Los símbolos que hemos usado

Grafo simple
Grafo sin bucles ni aristas repetidas en el marco de Mantel.
Problema extremo
Optimizar un recuento bajo una condición de patrón prohibido.
K_a,b
Grafo bipartito completo con partes de tamaños a y b.
A+B
Conjunto de valores a+b con a∈A y b∈B.
Duplicidad aditiva
Repetición de una misma suma por parejas distintas.
Energía aditiva
Número de cuádruplas que satisfacen a+b=c+d.
Grupo ambiente
Estructura donde se suman los elementos; puede cambiar las cotas.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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