Introduction#
我们在学习 Elemental Number Theory 时,有如下熟知结论:
Conclusion_1#
Given n integers {a1,a2,…,an} , ∃ I⊆{1,2,…,n} and ∣I∣=0, s.t. n∣∑i∈Iai
(可考虑部分和,以及利用鸽巢原理)
(其中 n 为最佳,可取 n−1 个 1.)
Conclusion_2#
Erdos,Ginzburg and Ziv Theorem (1961)
Given 2n−1 integers {a1,a2,…,an},∃ I⊆{1,2,…,2n−1} and ∣I∣=n, s.t. n∣∑i∈Iai
(可使用反证法,取p-1次方,导出矛盾)
(其中 2n−1 为最佳,可取 n−1 个 0,1.)
General_Problem#
G 为有限交换群, A 是由 G 中元素构成的可重集。
(1) ∣A∣ 多大时, ∃ B⊆A and ∣B∣=0, s.t. σ(B)=0.(称为Davenport常数,记作 D(G) )
(2) k∈Z>0 and exp(G)∣k , ∣A∣ 多大时, ∃B⊆A and ∣B∣=k, s.t. σ(B)=0.(记作 S(G) )(称 B 为 k 元 Zero−sum−subset )
exp(G):=x∈Gmax ord(x)
G=Cn1⊕Cn2⊕⋯⊕Cnl, n1∣n2∣⋯∣nl, exp(G)=nl
σ(B):=∑x∈Bx, 约定 σ(∅)=0
(Con.1中, G=Z/nZ=Cn)
(Con.2中, G=Cn,k=n=exp(Cn) )
Concerning_Problem#
考虑 G 秩为 2 且 n=p 的情形,即
A={(a1,b1),(a2,b2),…,(am,bm)}⊂Z2
(1) 当 m 多大时, ∃B⊆A and ∣B∣=0, s.t. σ(B)≡(0,0) (mod p)
(2) 当 m 多大时, ∃B⊆A and ∣B∣=p, s.t. σ(B)≡(0,0) (mod p)
Ans1 = 2p−1 (2p−2 反例: p−1 个 (0,1),(1,0) )
Ans2 = 4p−3 (4p−4 反例: p−1 个 (0,0),(0,1),(1,0),(1,1) )
(注意到解决Con.1的鸽巢原理无法应用于此处)
(Problem_2 又被称为 Kemnitz′ Conjecture )
Solution_1-Generating_Function#
可重集 A={a1,a2,…,am}, a1,a2,…,am∈Z>0
(1+xa1)(1+xa2)⋯(1+xam)=∑B⊂Axσ(B)
利用:
(1−xa1)(1−xa2)⋯(1−xam)=∑B⊂A(−1)∣B∣xσ(B)
For_Con.1#
n=p, a1,a2,…,am∈Z>0
Sk:={B⊂A ∣ σ(B)≡k (mod p)}, k=0,1,…,p−1
f(x):=(1−xa1)(1−xa2)⋯(1−xam)∈Fp/(xp−1)
f(x)=∑B⊂A(−1)∣B∣xσ(B)=∑k=0p−1(∑B∈Sk(−1)∣B∣)xk (⋆)
上式可看作是余式,所以表示方式是唯一的.
另一方面,又有 (1−xaj)=(1−x)(⋯) ,则
f(x)=(1−x)pg(x)
(1−x)p=1−(1p)x+(2p)x2+⋯+(−1)pxp==mod p1−xp==mod xp−10
⇒ f(x)=0 结合 (⋆) ⇒
∀ 0≤k≤p−1, ∑B∈Sk(−1)∣B∣≡0 (mod p)
特别的,k=0 时,∅∈Sk 而 ∑B∈Sk(−1)∣B∣≡0 (mod p)
⇒ ∃ B∈S0 and ∣B∣=0, s.t. σ(B)≡0 (mod p).
$\square$
注意到这种方法给出了 比使用鸽巢原理更多的信息.For_Problem-1#
A={(ai,bi) ∣ ai,bi∈Z>0 ,i=1,2,…,2p−1}
f(X1,X2):=∏i=12p−1(1−X1aiX2bi)∈Fp[X1,X2]/(X1p−1,X2p−1)
记为向量形式: X=(X1,X2), αi=(ai,bi), Xαi=X1aiX2bi
Sα:={B⊂A ∣ σ(B)≡α (mod p)}, α={0,1,…,p−1}2
f(X1,X2)=∏i=12p−1(1−Xαi)=∑B⊂A(−1)∣B∣xσ(B)
f(X)=∑α∈{0,1,…,p−1}2(∑B∈Sα(−1)∣B∣)Xα
Lemma:
(1−X1aiX2bi)=(1−X1)⋅ui(X1,X2)+(1−X2)⋅vi(X1,X2)
It’s a simple task.
A={f(X1,X2) ∣ f(1,1)=0}, B=(X1−1,X2−1)
Fp[X1,X2]/A = Fp[X1,X2]/B ⇒A=B
f(X1,X2)=∏i=12p−1((1−X1)⋅ui(X1,X2)+(1−X2)⋅vi(X1,X2))=∑(1−X1)s(1−X2)t(⋯)
s+t=2p−1 ⇒ s≥p or t≥p
(1−X1)p=0 and (1−X2)p=0 ⇒ f(X1,X2)=0 ⇒
∀ α∈{0,1,…,p−1}2, ∑B∈Sα(−1)∣B∣≡0 (mod p)
∅∈S(0,0) ⇒ ∃ ∣B∣=0, s.t. σ(B)≡0 (mod p)
$\Box$
Solution_2-Chevalley_Warning_Theorem#
F1,F2,…,Fm∈Fp[x1,x2,…,xn]
Z(F1,F2,…,Fm)={x∈(Fp)n ∣ F1(x)=F2(x)=⋯=Fm(x)=0}
#Z(F1,F2,…,Fm)≡0 (mod p) if ∑i=1ndeg(Fi)<n
Theorem’s_Proof#
x=(x1,x2,…,xn)∈Fpn
According to Fermat’s Little Theorem,
x∈Z(F1,F2,…,Fm) ⇔ ∏j=1m(1−Fj(x)p−1)=1∈Fp
#Z(F1,F2,…,Fm)≡∑x∈Fp∏j=1m(1−Fj(x)p−1) (mod p)
约定 x0∣x=0=1.
Lemma:
∀a≥0
\begin{eqnarray}
\sum_{x\in \mathbb{F}_p}x^a = \left{
\begin{aligned}
&p-1 &p-1|a\ne 0\
&0 &others
\end{aligned}
\right.
\end{eqnarray}
deg∏j=1m(1−Fj(x)p−1)≤(p−1)∑degFj<(p−1)n
#Z=∑{ak} ∑(x1,x2,…,xn)∈Fpnx1a1x2a2⋯xnan=∑{ak}(∑x1∈Fpx1a1)(⋯)(⋯)⋯(⋯)
又 a1+a2+⋯+an<(p−1)n ⇒ ∃ aj≤p−2.
故 #Z(F1,F2,…,Fm)≡0 (mod p)
$\Box$
For_Con.1#
A={a1,a2,…,ap},a1,a2,…,ap>0
F(x)=a1x1p−1+a2x2p−1+⋯apxpp−1∈Fp[x]
degF≤p−1<p
x=(x1,x2,…,xn)∈Fpn
x∈Z(F), xi1,xi2,…,xik=0, other xi=0 ⇔ ai1+ai2+⋯+aik≡0 (mod p)
Nk:=#{B⊂A ∣ ∣B∣=k,σ(B)≡0 (mod p)} 0≤k≤p
即 k 元 Zero-sum-subset
#Z(F)=∑k=0pNk(p−1)k≡C−W0 (mod p)
#Z(F)≡∑k=0p(−1)kNk≡0 (mod p)
N0=1 (∅) ⇒ ∃ 0<k≤p,Nk=0
$\Box$
For_Con.2#
Erdos,Ginzburg and Ziv Theorem
a1,a2,…,a2p−1∈Fp
F1=x1p−1+x2p−1+⋯x2p−1p−1
F2=a1x1p−1+a2x2p−1+⋯a2p−1x2p−1p−1
degF1+degF2≤2p−2<2p−1
#Z(F1,F2)=N0+(p−1)pNp≡0 (mod p)
⇒ Np≡N0=1 (mod p), obviously Np=0.
$\Box$
For_Problem-1#
(ai,bi)⊂Z2 ,i=1,2,…,2p−1
F1=a1x1p−1+a2x2p−1+⋯a2p−1x2p−1p−1
F2=b1x1p−1+b2x2p−1+⋯b2p−1x2p−1p−1
degF1+degF2≤2p−2<2p−1 ⇒ #Z(F1,F2)≡0 (mod p)
x=(0,0,…,0)∈Z(F1,F2) ⇒ ∃ x=(0,0,…,0)∈Z(F1,F2)
$\Box$
类似的,可以证明 $D((C_p)^r)=r(p-1)+1$.
Kemnitz’_Conjecture’s_Proof#
C. Reiher 2007,(German),1999−2003 IMO 4G1B
\begin{cases}
F_1=x_1^{p-1}+x_2^{p-1}+\cdots x_{m}^{p-1}\
F_2=a_1x_1^{p-1}+a_2x_2^{p-1}+\cdots a_{m}x_{m}^{p-1}\
F_3=b_1x_1^{p-1}+b_2x_2^{p-1}+\cdots b_{m}x_{m}^{p-1}
\end{cases}
A={(ai,bi) ∣ i=1,2,…,m}
Nk(A):={B⊂A ∣ ∣B∣=k,σ(B)≡(0,0) (mod p)}
使用 C−W Theorem 前提: m>3(p−1) 即 m≥3p−2
后续技巧具体可见Reference