Dilworth定理证明

以下证明摘自网上相关资料,本人为了理解方便作了部分修改:

设偏序集S。S能划分成的最少的全序集的个数为K,S的最大反链的元素个数为M。

1. 先证明K>=M。设反链A={a1,a2,...,aM}。假设K<M,那么由抽屉原理,必然有两个元素ai,aj在同一个全序集中。那么ai,aj可比。与ai,aj不可比矛盾。

2. 再证明K=M。用第二数学归纳法。

  设全序集S中有m个元素。

  (1)当m=0和m=1时,对于命题结论显然成立。

  (2)假设m<n(n∈N+)时命题成立,现在证m=n时,命题也成立。

  设x为S中的一个极大元。考虑S'=S-{x}这个偏序集。由于|S'|<n,由归纳假设,S'满足命题。设 S' 能划分成的最小的全序集个数为k,最大反链的元素个数也为k。那么我们设S'被划分成了k个链分别为C1,C2,...,Ck。设所有长度为k的反链分别为A1,A2,...,Ar。(假设有r条长度为k的反链)

  那么对于任意一个Ai,Ai的元素必定是k条链上,每条链取一个元素。设为ai1,ai2,...,aik。

  那么我们考虑集合B= {b1,b2,...,bk}={ max(ai1), max(ai2), max(ai3), ... , max(aik) }。 这个集合一定也是一条反链。(用反证法很容易证明:假设存在两个元素bi,bj(i<j)可比,不妨设bi<=bj,其中bi和bj分别位于链Ci和Cj上。那么bi所在链的每个aix都与bj可比,与Ci上存在一个aix与bj不可比矛盾。)(加粗的地方之所以是正确的,是因为Ci与Cj上肯定有两个元素属于同一条反链)

(虽然最小链划分的情况很多,可能存在bi和bj可比,但是bi和bj不可比一样可以实现最小链划分,因为如果bi与bj可比的话,那么bi和bj是可以在同一条链当中)

  现在考虑加入元素x的集合S。一个显然的事实是,加入一个极大元,不可能让划分的最少链个数更少,但是也不能让链的个数增加2及以上(否则肯定不满足最少链)(这是因为元素x本身也可以组成一条链,所以最小链划分最多只能多一)。也不能让反链的最大长度更小。

  分两种情况:

  ①如果x这个极大元与B中每个元素都不可比。那么考虑B∪{x},就是一个长度为k+1的反链。那么最少能划分的链的个数至少是k+1。而加入一个元素,链的条数至多增加1。因此,链的最少条数就是k+1。这样,对于这种情况,命题对于m=n时也成立了。

  ②如果x与B中的某个元素可比,假设x与bi可比,那么显然x>=bi:

  考虑集合 D={ai1,ai2,...,air}∪{x}(这里的{ai1,ai2,...,air}指的的是r条长度为k的反链与包含bi的链的交集)。D显然也是一条链。 现在考虑S''=S-D这个集合。由于每个长度为k的链都被我们抽掉了一个元素,所以集合S''不会有长度为k的反链了,而长度为k-1的反链显然是存在的(按照原来的构造)。由归纳假设,S''最少能划分成的链也是k-1。不妨设划分为了C'1,C'2,...,C'k-1。

  那么,我们对S就构造出了k条链的情况:C'1,C'2,...,C'k-1,D。

  所以反链的长度最大为k了。而去掉x就已经可以构造出长度为k的反链,因此S的最大反链至少是k。因此最大反链就是k。

 至此,证明结束。

参考文献:http://aleph.math.louisville.edu/teaching/2009FA-681/notes-091119.pdf

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