多項式法

同義語:polynomial method

概要

多項式法(polynomial method)とは、組合せ論や離散幾何の問題で、調べたい有限集合の上で消える、または 1 点だけで消えない次数の低い多項式を作り、次数と零点の個数の関係から矛盾や評価を導く方法である。中心にある Alon の Combinatorial Nullstellensatz は、体上の全次数 $t_1+\cdots+t_n$ の多項式で $x_1^{t_1}\cdots x_n^{t_n}$ の係数が $0$ でなければ、$\lvert S_i\rvert>t_i$ をみたす格子 $S_1\times\cdots\times S_n$ のどこかで値が $0$ でないと主張する。Cauchy–Davenport の定理、格子を超平面で覆う問題の下界、有限体の掛谷集合の大きさの下界(Dvir の定理)などが短く証明できる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 多項式環, 有限体, 二項係数, Schwartz–Zippelの補題

多項式法(polynomial method)とは、組合せ論や離散幾何の問題で、調べたい有限集合の上で消える(または 1 点だけで消えない)次数の低い多項式を作り、多項式の次数と零点の個数の関係から矛盾や評価を導く方法の総称である。基本になるのは次の 2 つの事実である。

  • 補間:点の個数が次数 $D$ 以下の単項式の個数より少なければ、それらの点で消える $0$ でない次数 $D$ 以下の多項式がある(線形代数)。
  • 消滅:各変数について次数の低い多項式が、十分大きな格子の上で消えれば $0$ である。
    この記事では、2 つめの事実を精密にした Alon の Combinatorial Nullstellensatz(組合せ論的零点定理)を証明し、それを使って Cauchy–Davenport の定理と、格子を超平面で覆う問題の下界を証明する。次に 1 つめの事実から、有限体の上の掛谷集合の大きさの下界(Dvir の定理)を証明する。

2 つの基本の補題

以下 $K$ を体とし、$K[x_1,\dots,x_n]$ の多項式 $f$ の全次数を $\deg f$、変数 $x_i$ についての次数を $\deg_{x_i}f$ と書く。

補間の補題

$S\subset K^n$ を有限集合、$D\ge0$ を整数とし、$\lvert S\rvert< \binom{D+n}{n}$ とする。このとき $S$ のすべての点で $0$ になる、$0$ でない $f\in K[x_1,\dots,x_n]$ で $\deg f\le D$ のものがある。

次数 $D$ 以下の多項式の空間 $W$ は、次数 $D$ 以下の単項式 $x_1^{a_1}\cdots x_n^{a_n}$($a_1+\cdots+a_n\le D$)を基底にもち、その個数は $\binom{D+n}{n}$ である($a_0:=D-\sum_ia_i$ を加えて、和が $D$ の非負整数の $(n+1)$ 組を数える。二項係数)。$f\mapsto(f(s))_{s\in S}$ は $W$ から $K^S$ への線形写像で、$\dim W>\lvert S\rvert=\dim K^S$ なので核は $0$ でない。$\square$

格子の上で消える多項式

$f\in K[x_1,\dots,x_n]$ が $\deg_{x_i}f\le t_i$($i=1,\dots,n$)をみたし、$S_1,\dots,S_n\subset K$ が $\lvert S_i\rvert>t_i$ をみたすとする。$f$ が $S_1\times\cdots\times S_n$ のすべての点で $0$ なら $f=0$ である。

$n$ についての帰納法

$n=1$ なら、$0$ でない 1 変数多項式の根は次数以下の個数しかないことによる。$n\ge2$ とし、$f=\sum_{j=0}^{t_n}f_j(x_1,\dots,x_{n-1})\,x_n^j$ と書く。$(s_1,\dots,s_{n-1})\in S_1\times\cdots\times S_{n-1}$ を固定すると、$x_n$ の多項式 $\sum_jf_j(s_1,\dots,s_{n-1})x_n^j$ は次数 $t_n$ 以下で $S_n$ の $t_n+1$ 個以上の点で消えるので、係数 $f_j(s_1,\dots,s_{n-1})$ はすべて $0$ である。$\deg_{x_i}f_j\le t_i$ なので、帰納法の仮定から各 $f_j=0$、よって $f=0$ である。$\square$

Schwartz–Zippelの補題 の系「格子で消える多項式」は、全次数で同じ結論を述べたものである。

Combinatorial Nullstellensatz

$S_1,\dots,S_n\subset K$ を空でない有限集合とし、$g_i(x_i):=\prod_{s\in S_i}(x_i-s)$ とおく。$g_i$ は $x_i$ だけの、最高次の係数 $1$ の $\lvert S_i\rvert$ 次多項式で、$S_i$ の上で消える。

Combinatorial Nullstellensatz(第 1 形)

$f\in K[x_1,\dots,x_n]$ が $S_1\times\cdots\times S_n$ のすべての点で $0$ なら、$\deg h_i\le\deg f-\lvert S_i\rvert$ をみたす $h_1,\dots,h_n\in K[x_1,\dots,x_n]$ があって
$$ f=\sum_{i=1}^nh_ig_i $$
となる。

単項式ごとの割り算

まず次を示す。$g\in K[x_i]$ が最高次の係数 $1$ の $s$ 次多項式なら、任意の $F\in K[x_1,\dots,x_n]$ は $F=qg+r$、$\deg q\le\deg F-s$、$\deg r\le\deg F$、$\deg_{x_i}r< s$ と書け、さらに $j\neq i$ について $\deg_{x_j}r\le\deg_{x_j}F$ である。実際、$F=\sum_kc_kx_i^k$($c_k$ は $x_i$ を含まない多項式)と書き、1 変数の割り算で $x_i^k=a_kg+b_k$($\deg b_k< s$、$k< s$ なら $a_k=0$、$b_k=x_i^k$、$k\ge s$ なら $\deg a_k=k-s$)とすると、$q:=\sum_kc_ka_k$、$r:=\sum_kc_kb_k$ が条件をみたす($\deg(c_ka_k)\le\deg c_k+k-s\le\deg F-s$、$\deg(c_kb_k)\le\deg c_k+k$)。
この割り算を $F=f$、$g=g_1$ から始めて、余りを順に $g_2,\dots,g_n$ で割ると、
$$ f=\sum_{i=1}^nh_ig_i+r,\qquad\deg h_i\le\deg f-\lvert S_i\rvert,\qquad\deg_{x_i}r< \lvert S_i\rvert\ (i=1,\dots,n) $$
を得る($g_i$ で割るとき、それまでに得た $\deg_{x_j}r< \lvert S_j\rvert$($j< i$)は保たれる)。$f$ と各 $g_i$ は $S_1\times\cdots\times S_n$ で消えるので $r$ も消え、lem-pm-grid($t_i=\lvert S_i\rvert-1$)により $r=0$ である。$\square$

Combinatorial Nullstellensatz(第 2 形)

$f\in K[x_1,\dots,x_n]$ の全次数が $t_1+\cdots+t_n$($t_i\ge0$ は整数)で、単項式 $x_1^{t_1}\cdots x_n^{t_n}$ の係数が $0$ でないとする。$S_1,\dots,S_n\subset K$ が $\lvert S_i\rvert>t_i$ をみたせば、$f(s_1,\dots,s_n)\neq0$ となる $s_i\in S_i$ がある。

$S_i$ を $t_i+1$ 元の部分集合に取り替えてよい。$f$ が $S_1\times\cdots\times S_n$ で消えると仮定すると、thm-pm-cn1 により $f=\sum_ih_ig_i$、$\deg h_i\le\deg f-(t_i+1)$ である。$h_ig_i$ の全次数 $\deg f$ の部分は、$h_i$ の全次数 $\deg f-t_i-1$ の部分と $x_i^{t_i+1}$ の積なので、そこに現れる単項式は $x_i$ の指数が $t_i+1$ 以上である。全次数が $\deg f$ より小さい単項式は $x_1^{t_1}\cdots x_n^{t_n}$ と異なる。よって $\sum_ih_ig_i$ の $x_1^{t_1}\cdots x_n^{t_n}$ の係数は $0$ で、$f$ の係数が $0$ でないことに反する。$\square$

外す条件反例成り立たなくなること
$\lvert S_i\rvert>t_i$$n=1$、$f=x^2-x$、$t_1=2$、$S_1=\{0,1\}$$f$ は $S_1$ で消える
$x_1^{t_1}\cdots x_n^{t_n}$ が最高次の単項式$f=y-xy$、$(t_1,t_2)=(0,1)$、$S_1=\{1\}$、$S_2=\{0,1\}$$y$ の係数は $1$ だが $f$ は $S_1\times S_2$ で消える
$K$ が体$\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}$ 上の $f=2x$、$t_1=1$、$S_1=\{0,2\}$$x$ の係数 $2\ne0$ だが $f$ は $S_1$ で消える

どの行も thm-pm-cn2 の仮定を 1 つだけ外している(2 行目は $\deg f=2>t_1+t_2$、3 行目は零因子 $2\cdot2=0$ のため lem-pm-grid の $n=1$ の場合が使えない)。

応用 1:Cauchy–Davenport の定理

$p$ を素数、$\mathbb{F}_p=\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$ とする。$A,B\subset\mathbb{F}_p$ について $A+B:=\{a+b\mid a\in A,\ b\in B\}$ と書く。

Cauchy–Davenportの定理

$A,B$ が $\mathbb{F}_p$ の空でない部分集合なら $\lvert A+B\rvert\ge\min\{p,\ \lvert A\rvert+\lvert B\rvert-1\}$ である。

$\lvert A\rvert+\lvert B\rvert>p$ なら、各 $g\in\mathbb{F}_p$ について $A$ と $g-B:=\{g-b\mid b\in B\}$ は個数の和が $p$ を超えるので交わり、$g\in A+B$ である。よって $A+B=\mathbb{F}_p$ である。
$\lvert A\rvert+\lvert B\rvert\le p$ とし、$\lvert A+B\rvert\le\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-2$ と仮定する。$A+B\subset C$、$\lvert C\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-2$ となる $C$ をとり、$f(x,y):=\prod_{c\in C}(x+y-c)$ とおく。$f$ は $A\times B$ で消える。$f$ の全次数は $\lvert C\rvert$ で、最高次の部分は $(x+y)^{\lvert C\rvert}$ なので、$t_1=\lvert A\rvert-1$、$t_2=\lvert B\rvert-1$ について $x^{t_1}y^{t_2}$ の係数は $\binom{\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-2}{\lvert A\rvert-1}$ である。$\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-2< p$ なので、これは $p$ で割り切れず $\mathbb{F}_p$ で $0$ でない。thm-pm-cn2($S_1=A$、$S_2=B$)から $f(a,b)\neq0$ となる $(a,b)\in A\times B$ があり、矛盾する。$\square$

等号の例と、素数でない場合の反例

等差数列 $A=\{0,1,\dots,k-1\}$、$B=\{0,1,\dots,l-1\}$($k+l-1\le p$)では $A+B=\{0,\dots,k+l-2\}$ で等号が成り立つ。$p$ を合成数に替えると成り立たない。たとえば $\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}$ の $A=B=\{0,2\}$ では $A+B=\{0,2\}$ で、$\lvert A+B\rvert=2< \min\{4,3\}$ である(証明では $\binom{2}{1}=2$ が $\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}$ の零因子になる)。

応用 2:格子を超平面で覆う

格子を覆う超平面の個数

$S_1,\dots,S_n\subset K$ を空でない有限集合、$S:=S_1\times\cdots\times S_n$、$s=(s_1,\dots,s_n)\in S$ とする。$K^n$ のアフィン超平面 $H_1,\dots,H_m$ の和が $S\setminus\{s\}$ を含み、$s$ を含まないなら、
$$ m\ge\sum_{i=1}^n(\lvert S_i\rvert-1) $$
である。

$H_j=\{\ell_j=0\}$($\ell_j$ は 1 次式)とし、$t_i:=\lvert S_i\rvert-1$、$N:=\sum_it_i$ とおく。$m< N$ と仮定する。$\ell_j(s)\neq0$ なので
$$ F(x):=\prod_{j=1}^m\ell_j(x)-c\prod_{i=1}^n\prod_{a\in S_i\setminus\{s_i\}}(x_i-a),\qquad c:=\frac{\prod_j\ell_j(s)}{\prod_i\prod_{a\in S_i\setminus\{s_i\}}(s_i-a)}\neq0 $$
とおける。$F(s)=0$ である。第 1 項の次数は $m< N$、第 2 項は全次数 $N$ で $x_1^{t_1}\cdots x_n^{t_n}$ の係数が $-c\neq0$ なので、thm-pm-cn2 から $F(x)\neq0$ となる $x\in S$ がある。$F(s)=0$ なので $x\neq s$ で、ある $i$ で $x_i\neq s_i$、すなわち $x_i\in S_i\setminus\{s_i\}$ となり第 2 項は $0$ である。また $x\in S\setminus\{s\}$ はある $H_j$ にのるので第 1 項も $0$ である。よって $F(x)=0$ となり矛盾する。$\square$

立方体と国際数学オリンピックの問題

$S_i=\{0,1\}$ なら、立方体 $\{0,1\}^n$ の 1 頂点以外を覆い、その頂点を通らない超平面は $n$ 枚以上必要である(Alon–Füredi。Alo99 Theorem 6.3)。$K=\mathbb{R}$、$S_i=\{0,1,\dots,N_i\}$、$s=0$ では、$M:=N_1+\cdots+N_n$ 枚の超平面 $x_1+\cdots+x_n=k$($k=1,\dots,M$)が条件をみたすので、この評価は等号で達成される。$n=3$、$S_i=\{0,1,\dots,N\}$ の場合は、空間の平面と法線ベクトル の例「国際数学オリンピック(2007 年)第 6 問」の答え $3N$ の下界である(そこでは交代二項和による別の証明がある)。

応用 3:有限体の掛谷集合

この節では体を $\mathbb{F}_q$ とし、記号 $K$ は集合に使う。$q$ 元体 $\mathbb{F}_q$ の上で、$K\subset\mathbb{F}_q^n$ が 掛谷集合(Kakeya set)であるとは、どの $b\in\mathbb{F}_q^n\setminus\{0\}$ についても、ある $a$ があって直線 $\{a+\tau b\mid\tau\in\mathbb{F}_q\}$ が $K$ に含まれることをいう(すべての向きの直線を含む)。名は掛谷宗一(Sôichi Kakeya)にちなみ、実数の場合の 掛谷の問題 の有限体での類似である。

Dvirの定理

$\mathbb{F}_q^n$ の掛谷集合 $K$ について
$$ \lvert K\rvert\ge\binom{q+n-1}{n}\ \Bigl(\ge\frac{q^n}{n!}\Bigr) $$
である。

補間と消滅

$\lvert K\rvert< \binom{q-1+n}{n}$ と仮定すると、lem-pm-interpolation($D=q-1$)により、$K$ で消える $0$ でない $f$ で $\deg f\le q-1$ のものがある。$d:=\deg f$ とし、$f_d$ を $f$ の $d$ 次の斉次部分とする。$K\ne\emptyset$ なので $f$ は $0$ でない定数ではなく、$d\ge1$ である。
$b\neq0$ とし、$a$ を定義のとおりにとる。$\tau$ の多項式 $\varphi(\tau):=f(a+\tau b)$ は次数が $d$ 以下($d\le q-1$)で、$\mathbb{F}_q$ の $q$ 個の点すべてで消えるので $\varphi=0$ である。$\varphi$ の $\tau^d$ の係数は $f_d(b)$ なので $f_d(b)=0$ である。$d\ge1$ なので $f_d(0)=0$ でもある。よって $f_d$ は $\mathbb{F}_q^n$ 全体で消え、$\deg_{x_i}f_d\le d\le q-1< q$ なので lem-pm-grid($S_i=\mathbb{F}_q$)から $f_d=0$ となり、$f_d$ が $d$ 次の部分であることに反する。$\square$

$\binom{q+n-1}{n}=\frac{q(q+1)\cdots(q+n-1)}{n!}\ge\frac{q^n}{n!}$ である。Dvir は次数 $q-2$ の多項式で $\lvert K\rvert\ge C_nq^{n-1}$ を示し、Alon と Tao の注意で $C_nq^n$ の形に改良された(Dvi09 Theorem 1・Theorem 3 と §1.1)。$n=1$ では $K=\mathbb{F}_q$ で等号が成り立つ。

補足

  • Chevalley–Warning の定理.Chevalley–Warningの定理 も、thm-pm-cn2 から短く導ける(Alo99 Theorem 3.1)。
  • 離散幾何学への応用.平面の $N$ 点が少なくとも $cN/\log N$ 個($c>0$ は定数)の相異なる距離を定めるという Guth–Katz の定理(GK15 Theorem 1.1)は、多項式の零点集合で空間を分ける方法(多項式のハムサンドイッチ定理による分割)を使って証明された(同 §1)。この記事では証明しない。離散幾何学 も参照。
  • 何が効いているか.どの応用でも、問題の対象を多項式の零点や非零点として表し、次数が小さいことと零点が多いことの両立しなさを使っている。thm-pm-covering では「超平面の和集合は次数 $m$ の多項式の零点集合である」こと、thm-pm-dvir では「直線の上の 1 変数多項式は次数より多く零点をもてない」ことが要である。

関連項目

参考文献

[1]
Noga Alon, Combinatorial Nullstellensatz, Combinatorics, Probability and Computing, 1999, pp. 7–29(Theorem 1.1・1.2 と §2 の証明、Theorem 3.1 Chevalley–Warning、Theorem 3.2 Cauchy–Davenport、Theorem 6.3 立方体を覆う超平面)

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