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Máster y doctorado

Método probabilístico en combinatoria

A veces demostrar que un objeto existe resulta más fácil si primero lo construimos al azar. No hace falta encontrarlo de inmediato: basta probar que alguna elección funciona. Empezaremos con un triángulo que podemos enumerar por completo y después convertiremos esa cuenta en un argumento para cualquier grafo.

1. Elegir al azar crea un promedio con el que podemos razonar

Primero se declara una familia de objetos y una distribución de elecciones. Si la propiedad deseada tiene probabilidad positiva, existe al menos un resultado que la cumple. Una probabilidad pequeña pero positiva basta para existencia; no garantiza que un intento cualquiera funcione.

El método no exige uniformidad sobre todos los objetos imaginables. Sí exige que la distribución usada y los cálculos correspondan. Si elegimos cada vértice de un grafo independientemente entre dos lados con probabilidad 1/2, queda definido un espacio de particiones concreto.

Existir no es acertar siempre

Una construcción tiene cuatro resultados equiprobables y tres funcionan.

  1. Probabilidad

    La probabilidad de éxito es 3/4.

  2. Existencia

    Es positiva, así que hay resultados válidos.

  3. Intento

    Todavía hay probabilidad 1/4 de fallar en un intento.

Resultado

La prueba de existencia y la garantía de un intento son afirmaciones distintas.

Lo comprobamos

Si se repite, hay que especificar la independencia para calcular probabilidades de varios intentos.

No exigir una distribución uniforme

Elegimos un resultado válido con probabilidad 1/10 y otro inválido con 9/10.

  1. Distribución

    Las probabilidades son no negativas y suman uno.

  2. Éxito

    Tiene probabilidad 1/10>0.
  3. Conclusión

    El resultado válido existe pese a no ser el más frecuente.

Resultado

La conclusión de existencia solo necesita probabilidad positiva.

Lo comprobamos

La dificultad práctica de encontrarlo puede ser otra cuestión.

2. Los indicadores convierten un recuento en suma de probabilidades

Un indicador I_{A} vale uno si ocurre A y cero si no. Su esperanza es P(A).

Si X cuenta cuántas propiedades ocurren, X=ΣI_{A} y E[X]=ΣP(A).

Esta linealidad no requiere independencia.

La independencia puede necesitarse antes para calcular P(A), por ejemplo al combinar elecciones de dos vértices. Eso es diferente de sumar esperanzas ya conocidas. La dependencia vuelve a importar al calcular varianza o probabilidades conjuntas.

Dependientes y aun así lineales

Una moneda equilibrada; I indica cara y J también indica cara.

  1. Relación

    I=J en todo resultado: no son independientes.
  2. Esperanzas

    E[I]=E[J]=1/2.
  3. Suma

    I+J vale dos en cara y cero en cruz; su media es uno.

Resultado

E[I+J]=E[I]+E[J] sigue siendo válida.

Lo comprobamos

No se multiplican probabilidades como si fueran elecciones independientes.

Contar aristas de un corte

Para cada arista e, I_{e} indica si sus extremos quedan en lados diferentes.

  1. Cuenta

    X=Σ_eI_e es el número de cruces.
  2. Probabilidad

    Cada arista cruza con probabilidad 1/2 bajo colores de vértices independientes y equilibrados.

  3. Media

    Con m aristas, E[X]=m/2.
Resultado

No hace falta que todos los indicadores de aristas sean independientes entre sí.

Lo comprobamos

Se ha usado independencia de los dos extremos para hallar la probabilidad de una arista.

3. Algún resultado alcanza al menos la media, pero la media no es el máximo

En un espacio finito, max X≥E[X].

Si todos los valores fueran estrictamente menores que la media, su promedio también lo sería: contradicción. Cuando X es entero, una media r garantiza un valor de al menos ⌈r⌉.

Una media grande no significa que casi todos los resultados sean grandes. Tampoco identifica el máximo exacto. Para demostrar un máximo se necesita además una cota superior para todos los objetos.

Redondear una garantía entera

Un recuento tiene esperanza 7/2.

  1. Comparar

    Algún valor es al menos 3,5.

  2. Enteros

    Ese valor debe ser cuatro o más.

  3. Alcance

    No hemos probado que cuatro sea el mayor posible.

Resultado

La garantía mínima entera es cuatro.

Lo comprobamos

Se redondea hacia arriba en una cota inferior de existencia.

Una media no implica éxito frecuente

X vale cien con probabilidad 1/100 y cero el resto.

  1. Esperanza

    E[X]=1.
  2. Positividad

    X>0 solo con probabilidad 1/100.
  3. Conclusión

    Existe un valor al menos uno, pero no suele ocurrir.

Resultado

Conocer la media no basta para conocer la concentración.

Lo comprobamos

Se necesita más información sobre la distribución.

4. Un corte aleatorio prueba una garantía para cualquier grafo

Trabajamos con grafos finitos simples no dirigidos. Cada vértice recibe lado cero o uno de forma independiente y equilibrada. Para una arista, las parejas de lados 00,01,10,11 son equiprobables y dos cruzan: P(cruce)=1/2.

Enumerar cuatro cortes permite comprobar la esperanza
Fijamos el vértice superior en 00000001201020112Media: (0+2+2+2)/4=3/2Existe un corte de al menos 2.
Triángulo de tres aristas. Fijamos un vértice en el lado cero; los otros dos se asignan independientemente a cero o uno. Las cuatro filas son equiprobables y representan las asignaciones cero cero, cero uno, uno cero y uno uno. Los bordes rojos conectan lados distintos y se cuentan en la columna derecha: cero, dos, dos y dos. La media es seis sobre cuatro, igual uno y medio; existe por tanto un corte de al menos dos aristas. Los indicadores de las tres aristas no son mutuamente independientes: no pueden cruzar las tres a la vez. La esperanza se suma igualmente por linealidad.

Sumando indicadores, E[X]=m/2; por la media, existe un corte de al menos ⌈m/2⌉ aristas. El triángulo permite comprobar toda la prueba enumerando solo cuatro asignaciones si fijamos el primer vértice: cambiar todos los lados conserva el corte.

Enumerar el triángulo

Fijamos el primer vértice en cero y elegimos los otros dos.

  1. Resultados

    00 produce cero cruces; 01,10 y 11 producen dos cada uno.

  2. Media

    (0+2+2+2)/4=3/2.
  3. Garantía

    Existe un corte de al menos dos; aquí dos es además el máximo porque tres cruces formarían un ciclo impar bipartito imposible.

Resultado

La cuenta concreta confirma el argumento de indicadores.

Lo comprobamos

Las tres aristas no pueden cruzar simultáneamente, aunque cada una tenga probabilidad 1/2.

Aplicar la garantía sin dibujar todos los cortes

Grafo con once aristas.

  1. Media

    E[X]=11/2=5,5.
  2. Enteros

    Algún corte tiene seis aristas o más.

  3. Límite

    El máximo podría ser mayor; por ejemplo un grafo bipartito puede cortar todas sus aristas.

Resultado

La garantía es al menos seis, sin afirmar un óptimo exacto.

Lo comprobamos

No se requiere enumerar las particiones de ese grafo.

5. Una suma de fallos menor que uno permite evitarlos todos

Si A₁,…,A_{r} son eventos malos, P(\bigcup_i A_i)\le\sum_iP(A_i). Si la suma es menor que uno, el complemento tiene probabilidad positiva y existe un objeto sin fallos. La cota de unión no requiere independencia.

También, para un número entero no negativo X de fallos, P(X≥1)≤E[X].

Si E[X]<1, P(X=0)>0.

La condición estricta importa: esperanza igual a uno es compatible con tener exactamente un fallo siempre.

Evitar tres fallos

Sus probabilidades son 1/8,1/4 y 1/4.

  1. Suma

    1/8+1/4+1/4=5/8.
  2. Algún fallo

    Tiene probabilidad como máximo 5/8.

  3. Ninguno

    Tiene probabilidad al menos 3/8>0.
Resultado

Existe una elección que evita los tres.

Lo comprobamos

No se ha multiplicado ninguna probabilidad.

Por qué el límite uno no basta

X=1 en todos los resultados.

  1. Media

    E[X]=1.
  2. Cero fallos

    No ocurre nunca.

  3. Conclusión

    La cota E[X]<1 no se sustituye por E[X]≤1 sin otra información.

Resultado

Un detalle en la desigualdad cambia la conclusión de existencia.

Lo comprobamos

La garantía no asegura que toda elección con media menor que uno esté libre de fallos.

6. El segundo momento cuantifica una probabilidad de éxito

Para X≥0, E[X]>0 y E[X²]<∞, Cauchy–Schwarz aplicado a X·I_{X>0} da P(X>0)\ge\frac{(E[X])^2}{E[X^2]}.

Una esperanza positiva ya implica positividad en algún resultado; esta cota proporciona además una probabilidad mínima.

En una suma de indicadores, E[X²] contiene términos E[I_iI_j]. Aquí sí aparecen las dependencias. Var(X)=E[X²]−E[X]² incluye covarianzas; ignorarlas puede dar una cota falsa.

La cota es exacta en el triángulo

X vale cero con probabilidad 1/4 y dos con 3/4.

  1. Primero

    E[X]=3/2.
  2. Segundo

    E[X²]=4·3/4=3.
  3. Cota

    P(X>0)≥(9/4)/3=3/4, que coincide con la probabilidad real.
Resultado

El segundo momento distingue este caso de una media aislada.

Lo comprobamos

X es constante sobre el evento donde es positivo.

Una dependencia cambia la varianza

I=J indica cara de la misma moneda equilibrada; X=I+J.

  1. Segundo momento

    X² vale cuatro o cero, luego E[X²]=2.
  2. Varianza

    Var(X)=2−1²=1.
  3. Error al ignorar dependencia

    Sumar solo las dos varianzas 1/4 daría 1/2; falta dos veces la covarianza 1/4.

Resultado

Linealidad de esperanza y suma de varianzas sin covarianzas tienen hipótesis distintas.

Lo comprobamos

No se hereda independencia por el hecho de usar dos nombres.

7. La dependencia local puede permitir evitar muchos fallos a la vez

Una forma simétrica del lema local de Lovász dice: si cada evento malo tiene probabilidad como máximo p, un grafo de dependencias tiene grado máximo d y ep(d+1)≤1, entonces hay probabilidad positiva de evitar todos los fallos.

El grafo debe garantizar que cada evento es independiente de la colección conjunta de eventos no vecinos, incluidos sus complementos. La independencia solo por pares no basta. En modelos de variables independientes, conectar los eventos que comparten variables proporciona un grafo de dependencias válido.

Un caso donde la unión no alcanza

Mil cláusulas, cada una con cuatro variables booleanas distintas; cada cláusula comparte variables con a lo sumo otras cuatro.

  1. Azar

    Cada variable se elige independiente y equilibrada; una cláusula disyuntiva falla con probabilidad p=1/16.

  2. Dependencias

    Podemos tomar d≤4.
    Como e<3, ep(d+1)≤5e/16<15/16<1.
  3. Existencia

    Hay una asignación que satisface todas, aunque la suma de probabilidades 1000/16 sea mayor que uno.

Resultado

El lema usa estructura local que la cota de unión ignora.

Lo comprobamos

La afirmación exige cláusulas con cuatro variables distintas y el límite demostrado de dependencias.

No dibujar un grafo de dependencias por comodidad

Dos eventos comparten una misma variable aleatoria.

  1. Riesgo

    Cambiar esa variable puede cambiar ambos eventos.

  2. Construcción segura

    En el modelo de variables independientes se conectan por compartirla.

  3. Comprobar

    Para quitar esa arista haría falta demostrar la independencia conjunta requerida por otra razón.

Resultado

d debe proceder de un argumento, no de elegir menos aristas en el dibujo.

Lo comprobamos

El criterio es suficiente; que no se cumpla no prueba imposibilidad.

8. Las esperanzas condicionales pueden convertir la prueba en un algoritmo

Antes de decidir un color equilibrado, la esperanza actual es el promedio de las dos esperanzas tras fijarlo. Al menos una opción no la reduce. Si podemos calcularlas, elegimos esa y seguimos. Al final ya no queda azar y la esperanza coincide con el recuento real.

Fijar decisiones sin bajar la esperanza produce un corte concreto
Estrella de cuatro aristas11110Cada hoja pendiente aporta 1/2.Elegir el lado opuesto aporta 1.Media inicial 2 → corte final 4.En un grafo general: al menos m/2.
Estrella con un centro y cuatro hojas. El centro se fija en cero; cada hoja opuesta contribuye una arista de corte y cada hoja del mismo lado ninguna. Antes de decidir una hoja, su contribución esperada es un medio. Elegir uno para esa hoja la convierte en uno en lugar de un medio y no reduce la esperanza del total. Al fijar las cuatro opuestas al centro se obtienen cuatro cruces, desde una media inicial dos. El dibujo representa el resultado final de esta elección; no se afirma que en todo grafo el método logre todas las aristas ni el corte máximo exacto.

Para el corte, una arista con ambos extremos fijados aporta cero o uno; una con al menos un extremo pendiente sigue aportando 1/2. Eso permite actualizar la esperanza. El método garantiza al menos la media inicial, no necesariamente el corte máximo.

Construir un corte de una estrella

Centro con cuatro hojas; fijamos el centro en cero.

  1. Inicio

    Las cuatro aristas pendientes aportan 1/2 cada una: esperanza dos.

  2. Cada hoja

    Ponerla en uno convierte su aporte de 1/2 en uno; ponerla en cero lo convierte en cero.

  3. Final

    Elegimos uno en las cuatro; obtenemos cuatro aristas de corte.

Resultado

La construcción concreta conserva y mejora la garantía inicial.

Lo comprobamos

En un grafo general las decisiones pueden competir y no se cortan necesariamente todas las aristas.

Una sola elección puede tener dos resultados distintos

Esperanza actual cinco; al fijar el siguiente color las alternativas dan cuatro y seis.

  1. Promedio

    (4+6)/2=5.
  2. Elección

    Escogemos la alternativa de esperanza seis.

  3. Continuar

    Las decisiones futuras siguen el mismo criterio.

Resultado

No hace falta apostar si ambas esperanzas se pueden calcular.

Lo comprobamos

Un argumento de existencia general no garantiza que ese cálculo sea eficiente.

9. Se distingue una prueba, un algoritmo y una simulación

La demostración probabilística cubre la familia indicada mediante desigualdades. Un algoritmo necesita además representar los objetos y ejecutar sus decisiones. Una simulación ilustra resultados, pero unas cuantas muestras no prueban por sí solas una garantía para todo grafo.

Los ejemplos pequeños sirven para verificar fórmulas y detectar dependencias. Después se explica qué razonamiento se mantiene cuando crece el tamaño. Esa separación permite usar el azar con rigor y convertirlo en construcción cuando se dispone de las herramientas necesarias.

Encontrar un objeto sí prueba su existencia

Un programa entrega una partición concreta y verificamos siete aristas que cruzan.

  1. Certificado

    La partición y las aristas se comprueban directamente.

  2. Conclusión

    Existe ese corte de tamaño siete.

  3. Límite

    No prueba que siete sea el máximo si falta una cota superior.

Resultado

Un ejemplo comprobado puede ser un certificado de existencia.

Lo comprobamos

Un fallo de la búsqueda no prueba que el objeto no exista.

Una garantía puede comprobarse en todos los objetos pequeños

Enumeramos todos los grafos de cuatro vértices y sus cortes.

  1. Finito

    Hay 2⁶ grafos simples etiquetados.

  2. Comprobar

    Podemos verificar máximo de corte≥m/2 en cada uno.

  3. General

    La prueba por indicadores es la que cubre cualquier número de vértices.

Resultado

El ensayo exhaustivo valida estos tamaños y la implementación.

Lo comprobamos

No se presenta como demostración del caso general.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Corte de un grafo

Un grafo tiene 10 aristas. ¿Qué tamaño de corte garantiza el argumento?

  1. Leer el tamaño

    El grafo tiene m=10 aristas.
  2. Elegir distribución

    Cada vértice se coloca independiente y equilibradamente a un lado.

  3. Una arista

    Cruza con probabilidad 1/2.

  4. Media total

    E[X]=10·(1/2)=5.
  5. Existencia

    Algún corte tiene al menos cinco aristas.

  6. Interpretar

    La garantía no dice que cinco sea el máximo exacto.

Resultado

Existe un corte de al menos 5 aristas.

Lo comprobamos

No se afirma que 5 sea el máximo exacto.

EJEMPLO RESUELTO 2

Cota de fallos

Tres eventos malos tienen probabilidades 1/10,1/5,1/4. Acota la unión.

  1. Identificar eventos

    Hay tres fallos con probabilidades 1/10,1/5 y 1/4.

  2. Aplicar unión

    P(algún fallo)≤1/10+1/5+1/4.
  3. Denominador común

    Son 2/20+4/20+5/20.

  4. Sumar

    La cota es 11/20.

  5. Complemento

    P(ninguno)≥9/20>0, así que hay una elección sin fallos.

  6. Comprobar

    La desigualdad de unión no requiere independencia.

Resultado

La probabilidad de algún fallo es ≤11/20.

Lo comprobamos

No se ha supuesto independencia para esa cota.

Los símbolos que hemos usado

Espacio aleatorio
Conjunto de construcciones posibles con una distribución especificada.
I_A
Indicadora: uno si ocurre A y cero en otro caso.
Primer momento
Esperanza de una variable, usada para contar o acotar existencia.
Cota de unión
Probabilidad de al menos un fallo no mayor que la suma de sus probabilidades.
Segundo momento
Esperanza del cuadrado, que ayuda a controlar concentración y existencia positiva.
Dependencia local
Situación donde cada evento depende solo de una parte limitada de los demás, en un sentido preciso.
Esperanza condicional
Media después de fijar parte de la construcción o información.

Ahora te toca a ti.

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

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