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Note per Studenti Metodo probabilistico - valore atteso, alterazioni e derandomizzazione

Metodo probabilistico - valore atteso, alterazioni e derandomizzazione

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Il metodo probabilistico dimostra che un oggetto con certe proprietà esiste senza costruirlo: si sceglie un oggetto a caso e si mostra che la proprietà vale con probabilità positiva. La probabilità è solo uno strumento di conteggio (spazio uniforme, Spazi di probabilità discreti e uniformiIn uno spazio discreto la probabilità è determinata dalla densità discreta p(ω) = P({ω}), con somma 1, e P(A) è la somma di p(ω) sugli esiti di A; negli spazi uniformi (esiti equiprobabili) P(A) = |A| / |Ω|, casi favorevoli su casi possibili.Spazi di probabilità discreti e uniformi →); il risultato è deterministico. Con la derandomizzazione si ottiene poi anche un algoritmo. Prerequisiti: Valore attesoIl valore atteso E[X] = Σ x p_X(x) è la media dei valori di X pesata con le loro probabilità (esiste se la serie converge assolutamente); per una funzione g vale E[g(X)] = Σ g(x) p_X(x) senza trovare la legge di g(X), ed E è lineare: E[aX + bY + c] = aE[X] + bE[Y] + c.Valore atteso →, Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici →, Union bound e verifica randomizzata - identità polinomiali e prodotti di matriciSpazi discreti richiamati; inclusione-esclusione (con le troncate di Bonferroni) e union bound Pr[unione] ≤ somma, valido senza indipendenza e stretto quando gli eventi sono rari (collisioni: C(n,2)/m). Principio delle decisioni differite: si fissa tutto tranne una scelta casuale e si limita la probabilità su quella. Lemma di Schwartz-Zippel: un polinomio non nullo di grado totale d, valutato in un punto di S^n scelto uniformemente, si annulla con prob ≤ d/|S| (induzione sul numero di variabili); test di identità polinomiale con errore unilaterale, ripetuto (d/|S|)^k. Freivalds: per verificare AB=C si controlla A(Br)=Cr con r in {0,1}^n in tempo O(n^2), errore ≤ 1/2 (stretto), 2^-k con k prove. Fingerprint: due stringhe di n bit si confrontano con a mod p per un primo casuale p ≤ M, errore ≤ n/π(M).Union bound e verifica randomizzata - identità polinomiali e prodotti di matrici →, Grafi - definizioni e proprietàGrafo G=(V,E) diretto e non diretto, grafo semplice e pesato; incidenza, adiacenza, grado; cammini, cicli, sottografi, grafi connessi e componenti connesse; alberi liberi, foreste, spanning tree e spanning forest; proprietà con dimostrazioni (somma dei gradi = 2m, m <= n(n-1)/2, alberi m = n-1, connessi m >= n-1, foreste m <= n-1).Grafi - definizioni e proprietà →.

I due principi

Lemma (principio del valore atteso). Se XX è una variabile aleatoria discreta con E[X]=μE[X]=\mu, allora P(X≥μ)>0P(X\ge\mu)>0 e P(X≤μ)>0P(X\le\mu)>0. Esistono quindi un esito con X≥μX\ge\mu e uno con X≤μX\le\mu.

Dimostrazione. Se fosse X<μX<\mu con probabilità 11 si avrebbe E[X]<μE[X]<\mu; per l'altro verso è lo stesso. □\square Se XX è intera, esiste un esito con X≥⌈μ⌉X\ge\lceil\mu\rceil.

Principio (conteggio). Se in uno spazio finito P(l’oggetto ha la proprietaˋ P)>0P(\text{l'oggetto ha la proprietà }\mathcal P)>0 allora esiste un oggetto con P\mathcal P. In particolare, se XX conta i "difetti" e E[X]<1E[X]<1, per Markov P(X≥1)≤E[X]<1P(X\ge1)\le E[X]<1 e quindi esiste un oggetto con zero difetti.

Taglio grande

Teorema (taglio). Ogni grafo con ∣E∣|E| archi ha un taglio (partizione dei vertici in due insiemi) con almeno ⌈∣E∣/2⌉\lceil|E|/2\rceil archi tra le due parti.

Dimostrazione. Ogni vertice va in AA o in BB con probabilità 12\frac12, indipendentemente. Un arco {u,v}\{u,v\} è tagliato se i suoi estremi cadono in parti diverse: probabilità 12\frac12 (qualunque sia uu, vv va dall'altra parte con 12\frac12). Per la linearità, E[archi tagliati]=∣E∣2E[\text{archi tagliati}]=\frac{|E|}2, e per il lemma esiste un taglio con almeno ⌈∣E∣/2⌉\lceil|E|/2\rceil archi. □\square

Esempi. Per K4K_4: ∣E∣=6|E|=6, media 33 (anche calcolata su tutte le 242^4 assegnazioni) e taglio massimo 44. Per il grafo di Petersen (1010 vertici, 1515 archi): media 7,57{,}5, quindi esiste un taglio ≥8\ge8; il massimo è 1212 (calcolo esaustivo su 292^9 tagli).

MAX-SAT e il fattore 7/87/8

Una formula in forma normale congiuntiva ha mm clausole, ognuna disgiunzione di letterali (una variabile o la sua negazione). Si assegna a ogni variabile vero\text{vero} o falso\text{falso} con probabilità 12\frac12 indipendentemente.

Teorema (MAX-SAT). Una clausola con ℓ\ell letterali su variabili distinte è soddisfatta con probabilità 1−2−ℓ1-2^{-\ell} (è falsa solo se ogni letterale è falso). Quindi in una formula con mm clausole di 33 letterali esiste un'assegnazione che ne soddisfa almeno 78m\frac78m (arrotondato in su). Se tutte le clausole hanno almeno kk letterali e m<2km<2^k, la formula è soddisfacibile.

Dimostrazione. E[soddisfatte]=m(1−2−3)=78mE[\text{soddisfatte}]=m(1-2^{-3})=\frac78m. Per la seconda parte: E[insoddisfatte]≤m2−k<1E[\text{insoddisfatte}]\le m2^{-k}<1 e, per il principio di conteggio, esiste un'assegnazione con 00 clausole insoddisfatte. □\square

Il 78\frac78 è ottimo nel caso peggiore: le 88 clausole che hanno tutte le combinazioni di segni su x1,x2,x3x_1,x_2,x_3 non sono simultaneamente soddisfacibili, e ogni assegnazione ne soddisfa esattamente 77 (verificato su tutte le 88 assegnazioni).

Lo stesso schema (indicatori e linearità su tutti gli oggetti possibili) dimostra che esiste un torneo su nn giocatori con almeno n!/2n−1n!/2^{n-1} cammini hamiltoniani: Esercizio - Cammini hamiltoniani in un torneo casuale (lezioni MIT).

Limite inferiore dei numeri di Ramsey

Il numero di Ramsey R(k,k)R(k,k) è il minimo nn tale che in ogni colorazione degli archi di KnK_n con due colori compare un KkK_k monocromatico (cioè kk vertici con tutti i (k2)\binom k2 archi dello stesso colore).

Teorema. Se (nk)21−(k2)<1\binom nk2^{1-\binom k2}<1 allora R(k,k)>nR(k,k)>n. In particolare R(k,k)>⌊2k/2⌋R(k,k)>\lfloor2^{k/2}\rfloor per ogni k≥3k\ge3.

Dimostrazione. Si colora ogni arco di KnK_n in rosso o blu con probabilità 12\frac12, indipendentemente. Un fissato insieme di kk vertici è monocromatico con probabilità 2⋅2−(k2)=21−(k2)2\cdot2^{-\binom k2}=2^{1-\binom k2} (tutto rosso o tutto blu). Sia XX il numero di KkK_k monocromatici: per la linearità E[X]=(nk)21−(k2)<1E[X]=\binom nk2^{1-\binom k2}<1, quindi esiste una colorazione con X=0X=0. Con n=⌊2k/2⌋n=\lfloor2^{k/2}\rfloor e (nk)≤nkk!≤2k2/2k!\binom nk\le\frac{n^k}{k!}\le\frac{2^{k^2/2}}{k!}: (nk)21−k(k−1)/2≤2k2/2+1−k2/2+k/2k!=2k/2+1k!<1(k≥3),\binom nk2^{1-k(k-1)/2}\le\frac{2^{k^2/2+1-k^2/2+k/2}}{k!}=\frac{2^{k/2+1}}{k!}<1\quad(k\ge3), perché per k=3k=3 vale 22,56=0,943\frac{2^{2,5}}6=0{,}943 e poi il denominatore cresce molto più in fretta. □\square

Numeri. Il massimo nn per cui la condizione vale è 3,6,11,17,273,6,11,17,27 per k=3,…,7k=3,\dots,7. Per k=5k=5, n=11n=11: il numero atteso di K5K_5 monocromatici è 462⋅2−9=0,902462\cdot2^{-9}=0{,}902, e una simulazione su 30003000 colorazioni casuali trova una colorazione senza K5K_5 monocromatici nel 61,5%61{,}5\% dei casi. Per k=4k=4, n=6n=6: (64)/32=0,469\binom64/32=0{,}469 e tra tutte le 2152^{15} colorazioni il 68,6%68{,}6\% (22 48422\,484) non ha K4K_4 monocromatici.

È una dimostrazione di esistenza: nessuna costruzione esplicita nota raggiunge una crescita esponenziale paragonabile. Il limite superiore è di forma 4k4^k, quindi R(k,k)R(k,k) cresce esponenzialmente in kk.

Alterazione

Il caso in cui l'oggetto casuale ha pochi difetti: si toglie (altera) ciò che non va.

Teorema (insieme indipendente). Un grafo con nn vertici e m≥n/2m\ge n/2 archi, grado medio d=2m/n≥1d=2m/n\ge1, contiene un insieme indipendente (nessun arco tra i suoi vertici) di almeno n2d=n24m\frac n{2d}=\frac{n^2}{4m} vertici.

Dimostrazione. Ogni vertice entra in SS con probabilità pp indipendentemente. Sia YY il numero di archi con entrambi gli estremi in SS. E[∣S∣]=npE[|S|]=np e E[Y]=mp2E[Y]=mp^2 (un arco sta in SS con probabilità p2p^2). Si rimuove un estremo per ogni arco rimasto in SS: restano almeno ∣S∣−Y|S|-Y vertici e sono indipendenti. E[∣S∣−Y]=np−mp2E[|S|-Y]=np-mp^2 è massima in p=n2m=1dp=\frac n{2m}=\frac1d, dove vale n2d\frac n{2d}. Per il lemma esiste un esito con ∣S∣−Y≥n2d|S|-Y\ge\frac n{2d}. □\square

Numeri (n=1000n=1000, m=2000m=2000, d=4d=4). Il teorema garantisce 125125; il guadagno in funzione di pp è np−mp2=80; 120; 125; 120; 80np-mp^2=80;\ 120;\ 125;\ 120;\ 80 per p=0,1; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4p=0{,}1;\ 0{,}2;\ 0{,}25;\ 0{,}3;\ 0{,}4. Su un grafo casuale con questi parametri la procedura con p=14p=\frac14 (togliendo un estremo solo per gli archi ancora presenti) dà 157,6157{,}6 vertici in media su 20002000 prove (da 130130 a 187187; grafo e codice in Esercizio - Insiemi indipendenti con alterazione e lemma locale di Lovász per k-SAT): il limite è un minimo garantito, non una stima.

Variante più forte. Si ordinano i vertici con una permutazione casuale e si tengono quelli che precedono tutti i loro vicini. Un vertice di grado dvd_v è il primo tra sé e i suoi dvd_v vicini con probabilità 1dv+1\frac1{d_v+1}, e l'insieme è indipendente (di due adiacenti ne può precedere solo uno). Quindi E∣I∣=∑v1dv+1≥nd+1E|I|=\sum_v\frac1{d_v+1}\ge\frac n{d+1} (disuguaglianza di Jensen). Sul grafo precedente: ∑1dv+1=243,0≥10005=200>125\sum\frac1{d_v+1}=243{,}0\ge\frac{1000}5=200>125. Questo limite (di Caro-Wei), applicato al grafo complementare, dà il teorema di Turán sulle cricche: Esercizio - Teorema di Turán dal limite di Caro-Wei (lezioni MIT).

Alterazione per Ramsey. Dopo la colorazione casuale si toglie un vertice per ogni KkK_k monocromatico: restano almeno n−Xn-X vertici senza monocromatici, quindi R(k,k)>n−(nk)21−(k2)R(k,k)>n-\binom nk2^{1-\binom k2} per ogni nn. Per k=10k=10 il valore massimo del secondo membro è 115,1115{,}1 (n=127n=127), contro il 100100 del teorema semplice e contro 2k/2=322^{k/2}=32.

Derandomizzazione con le aspettative condizionate

Il metodo probabilistico dimostra l'esistenza; si può anche trovare l'oggetto in tempo polinomiale.

Metodo delle aspettative condizionate. Se XX è una funzione di x1,…,xnx_1,\dots,x_n scelte a caso e E[X∣x1,…,xi]E[X\mid x_1,\dots,x_i] si calcola in tempo polinomiale, si fissano le variabili una alla volta scegliendo il valore che non fa diminuire l'attesa condizionale. Dato che E[X∣x1,…,xi]=12E[X∣x1,…,xi,0]+12E[X∣x1,…,xi,1]E[X\mid x_1,\dots,x_i]=\frac12E[X\mid x_1,\dots,x_i,0]+\frac12E[X\mid x_1,\dots,x_i,1], il massimo dei due è ≥\ge la media: l'attesa non scende mai e alla fine si ha un esito deterministico con X≥E[X]X\ge E[X].

Taglio. Con v1,…,viv_1,\dots,v_i già piazzati, E[taglio]=(archi giaˋ tagliati)+12(archi non ancora decisi)E[\text{taglio}]=(\text{archi già tagliati})+\frac12(\text{archi non ancora decisi}). Piazzare vi+1v_{i+1} sul lato che taglia più archi verso i vicini già piazzati (c0c_0 o c1c_1 archi) aumenta l'attesa di max⁡(c0,c1)−c0+c12≥0\max(c_0,c_1)-\frac{c_0+c_1}2\ge0. L'algoritmo è l'euristica golosa: ogni vertice dal lato opposto alla maggioranza dei vicini già piazzati, taglio finale ≥∣E∣2\ge\frac{|E|}2.

Esempio (Petersen, ordine dei vertici 0,…,90,\dots,9). Numerazione: ciclo esterno 00-11-22-33-44-00, raggi da ii a i+5i+5, e il vertice interno 5+i5+i adiacente a 5+((i+2) mod 5)5+((i+2)\bmod 5); a parità (c0=c1c_0=c_1) il vertice va nel lato 00. La tabella passo per passo è in Esercizio - Taglio grande e derandomizzazione sul grafo di Petersen. L'attesa condizionale dopo ogni vertice piazzato è 152,152,8,172,9,9,192,10,10,212,12\frac{15}2,\frac{15}2,8,\frac{17}2,9,9,\frac{19}2,10,10,\frac{21}2,12 (dal valore iniziale 152\frac{15}2 fino al taglio finale): non decresce mai e il taglio ottenuto è 1212, cioè il massimo.

MAX-SAT. Con variabili già fissate, ogni clausola vale 11 se ha un letterale vero, altrimenti 1−2−ℓ1-2^{-\ell} con ℓ\ell letterali liberi (e 00 se non ne restano). Esempio. m=7m=7 clausole su x1,…,x5x_1,\dots,x_5:

C1=x1∨x2∨¬x3C_1=x_1\lor x_2\lor\lnot x_3, C2=¬x1∨x3∨x4C_2=\lnot x_1\lor x_3\lor x_4, C3=x2∨¬x4∨x5C_3=x_2\lor\lnot x_4\lor x_5, C4=¬x2∨¬x3∨¬x5C_4=\lnot x_2\lor\lnot x_3\lor\lnot x_5, C5=x1∨¬x4∨¬x5C_5=x_1\lor\lnot x_4\lor\lnot x_5, C6=¬x1∨¬x2∨x5C_6=\lnot x_1\lor\lnot x_2\lor x_5, C7=x3∨x4∨x5C_7=x_3\lor x_4\lor x_5.

L'attesa iniziale è 7⋅78=498=6,1257\cdot\frac78=\frac{49}8=6{,}125. Poiché m=7<8=23m=7<8=2^3, la formula è soddisfacibile. Il metodo procede così:

variabile attesa con vero attesa con falso scelta
x1x_1 498\frac{49}8 498\frac{49}8 vero
x2x_2 478\frac{47}8 518\frac{51}8 falso
x3x_3 274\frac{27}4 66 vero
x4x_4 132\frac{13}2 77 falso
x5x_5 77 77 vero

Controllo del passo x2=falsox_2=\text{falso} dopo x1=verox_1=\text{vero}: C1C_1, C4C_4, C5C_5, C6C_6 sono già vere (11 ciascuna); C2C_2 ha x3,x4x_3,x_4 liberi: 34\frac34; C3C_3 ha ¬x4,x5\lnot x_4,x_5 liberi: 34\frac34; C7C_7 ha tre liberi: 78\frac78. Somma: 4+34+34+78=5184+\frac34+\frac34+\frac78=\frac{51}8. Alla fine (x1,…,x5)=(1,0,1,0,1)(x_1,\dots,x_5)=(1,0,1,0,1) soddisfa tutte e 77 le clausole: l'attesa è salita da 6,1256{,}125 a 77.

python
from fractions import Fraction

def attesa(clausole, parziale):
    """Numero atteso di clausole soddisfatte se le variabili libere sono a caso."""
    tot = Fraction(0)
    for c in clausole:                                  # c = lista di (variabile, segno)
        liberi = 0
        for v, s in c:
            if v not in parziale:
                liberi += 1
            elif parziale[v] == (s > 0):                # un letterale vero: clausola soddisfatta
                tot += 1
                break
        else:                                           # nessun letterale vero finora
            tot += 1 - Fraction(1, 2 ** liberi)         # 0 se non resta nessuna variabile libera
    return tot

def derandomizza(clausole, variabili):
    parziale = {}
    for v in variabili:                                 # per ogni variabile sceglie il valore
        e1 = attesa(clausole, {**parziale, v: True})    # che non fa scendere l'attesa condizionale
        e0 = attesa(clausole, {**parziale, v: False})
        parziale[v] = e1 >= e0
    return parziale

Lemma locale di Lovász (solo enunciato)

L'union bound richiede ∑P(Ai)<1\sum P(A_i)<1, quindi funziona solo con pochi eventi cattivi. Se gli eventi sono "quasi indipendenti" se ne possono avere moltissimi.

Lemma locale di Lovász (forma simmetrica). Siano A1,…,ANA_1,\dots,A_N eventi "cattivi" con P(Ai)≤pP(A_i)\le p e ognuno indipendente da tutti gli altri tranne al più dd. Se e p (d+1)≤1e\,p\,(d+1)\le1 allora P(⋂iAi‾)>0P\bigl(\bigcap_i\overline{A_i}\bigr)>0: con probabilità positiva nessun evento cattivo accade.

Applicazione. Una formula kk-CNF in cui ogni clausola ha kk variabili distinte e ogni variabile compare in al più rr clausole è soddisfacibile se e 2−k(k(r−1)+1)≤1e\,2^{-k}\bigl(k(r-1)+1\bigr)\le1: l'evento "la clausola CC è falsa" ha probabilità p=2−kp=2^{-k} e dipende al più dalle d=k(r−1)d=k(r-1) clausole che condividono una variabile con CC. Per k=10k=10 basta r≤38r\le38 (e⋅2−10⋅(10⋅37+1)=0,985e\cdot2^{-10}\cdot(10\cdot37+1)=0{,}985); per k=5k=5, r≤3r\le3. Il numero di clausole può essere qualunque, mentre l'union bound vale solo per m<2k=1024m<2^k=1024.

Domande d'esame

  1. Dimostra che ogni grafo ha un taglio con almeno ∣E∣/2|E|/2 archi. Assegnazione casuale uniforme dei vertici; ogni arco è tagliato con probabilità 12\frac12; per la linearità la media è ∣E∣2\frac{|E|}2 e un esito la raggiunge.
  2. Una formula con mm clausole da 33 letterali distinti: quante se ne soddisfano al minimo, e quando è soddisfacibile? Almeno ⌈78m⌉\lceil\frac78m\rceil; se m<8m<8 è soddisfacibile perché il numero atteso di clausole insoddisfatte è m8<1\frac m8<1.
  3. Dimostra che R(k,k)>2k/2R(k,k)>2^{k/2} per k≥3k\ge3. Colorazione casuale di KnK_n con n=⌊2k/2⌋n=\lfloor2^{k/2}\rfloor: E[#monocromatici]=(nk)21−(k2)≤2k/2+1k!<1E[\#\text{monocromatici}]=\binom nk2^{1-\binom k2}\le\frac{2^{k/2+1}}{k!}<1, quindi esiste una colorazione senza KkK_k monocromatici.
  4. Come si derandomizza l'argomento del taglio? Si fissano i vertici in ordine; ognuno va dal lato che taglia più archi verso i già piazzati; l'attesa condizionale (tagliati)+12(indecisi)(\text{tagliati})+\frac12(\text{indecisi}) non scende mai, quindi il taglio finale è ≥∣E∣2\ge\frac{|E|}2.

Versione ripasso

  • Principi. Se E[X]=μE[X]=\mu esistono esiti con X≥μX\ge\mu e con X≤μX\le\mu (altrimenti la media sarebbe diversa); per XX intera X≥⌈μ⌉X\ge\lceil\mu\rceil. Conteggio: P(P)>0⇒P(\mathcal P)>0\Rightarrow esiste; se i difetti hanno E[X]<1E[X]<1, per Markov P(X≥1)<1P(X\ge1)<1, quindi esiste un oggetto senza difetti (Valore attesoIl valore atteso E[X] = Σ x p_X(x) è la media dei valori di X pesata con le loro probabilità (esiste se la serie converge assolutamente); per una funzione g vale E[g(X)] = Σ g(x) p_X(x) senza trovare la legge di g(X), ed E è lineare: E[aX + bY + c] = aE[X] + bE[Y] + c.Valore atteso →, Spazi di probabilità discreti e uniformiIn uno spazio discreto la probabilità è determinata dalla densità discreta p(ω) = P({ω}), con somma 1, e P(A) è la somma di p(ω) sugli esiti di A; negli spazi uniformi (esiti equiprobabili) P(A) = |A| / |Ω|, casi favorevoli su casi possibili.Spazi di probabilità discreti e uniformi →).
  • Taglio. Assegnazione uniforme dei vertici (Grafi - definizioni e proprietàGrafo G=(V,E) diretto e non diretto, grafo semplice e pesato; incidenza, adiacenza, grado; cammini, cicli, sottografi, grafi connessi e componenti connesse; alberi liberi, foreste, spanning tree e spanning forest; proprietà con dimostrazioni (somma dei gradi = 2m, m <= n(n-1)/2, alberi m = n-1, connessi m >= n-1, foreste m <= n-1).Grafi - definizioni e proprietà →), ogni arco tagliato con probabilità 12\frac12, linearità: esiste un taglio ≥⌈∣E∣/2⌉\ge\lceil|E|/2\rceil. K4K_4: media 33, massimo 44; Petersen: media 7,57{,}5, massimo 1212.
  • MAX-SAT. Clausola con ℓ\ell letterali distinti vera con 1−2−ℓ1-2^{-\ell}; con ℓ=3\ell=3: ≥78m\ge\frac78m. Con almeno kk letterali e m<2km<2^k la formula è soddisfacibile (insoddisfatte attese <1<1). 78\frac78 è ottimo: le 88 clausole con tutti i segni su 33 variabili ne soddisfano 77 al massimo.
  • Ramsey. Colorazione casuale di KnK_n: un kk-insieme è monocromatico con 21−(k2)2^{1-\binom k2}; E[X]=(nk)21−(k2)<1⇒R(k,k)>nE[X]=\binom nk2^{1-\binom k2}<1\Rightarrow R(k,k)>n. Con n=⌊2k/2⌋n=\lfloor2^{k/2}\rfloor e (nk)≤nkk!\binom nk\le\frac{n^k}{k!}: ≤2k/2+1k!<1\le\frac{2^{k/2+1}}{k!}<1 per k≥3k\ge3 (0,9430{,}943 per k=3k=3). Massimo nn: 3,6,11,17,273,6,11,17,27 per k=3..7k=3..7. Alterazione: togliere un vertice per ogni KkK_k: R(k,k)>n−(nk)21−(k2)R(k,k)>n-\binom nk2^{1-\binom k2} (115,1115{,}1 per k=10k=10, n=127n=127, contro 100100 e 2k/2=322^{k/2}=32).
  • Insieme indipendente. SS con probabilità pp per vertice, E∣S∣=npE|S|=np, E[archi in S]=mp2E[\text{archi in }S]=mp^2; togliere un estremo per arco: ≥np−mp2\ge np-mp^2, massimo in p=1dp=\frac1d: α(G)≥n2d\alpha(G)\ge\frac n{2d} (125125 per n=1000n=1000, m=2000m=2000; simulato 157,6157{,}6 in media). Variante con permutazione casuale: vertice vv tenuto con probabilità 1dv+1\frac1{d_v+1}, E∣I∣=∑1dv+1≥nd+1E|I|=\sum\frac1{d_v+1}\ge\frac n{d+1} (Jensen; 243,0243{,}0 nell'esempio).
  • Aspettative condizionate. E[X∣… ]=12E[X∣…,0]+12E[X∣…,1]E[X\mid\dots]=\frac12E[X\mid\dots,0]+\frac12E[X\mid\dots,1]: si sceglie il valore migliore, l'attesa non scende, esito deterministico con X≥E[X]X\ge E[X]. Taglio: (tagliati)+12(indecisi)(\text{tagliati})+\frac12(\text{indecisi}), golosa sul lato con più archi verso i vicini piazzati (Petersen: attese 152,…,12\frac{15}2,\dots,12). MAX-SAT: clausola =1=1 se già vera, 1−2−ℓ1-2^{-\ell} con ℓ\ell liberi; esempio con 77 clausole: 498→7\frac{49}8\to7, assegnazione (1,0,1,0,1)(1,0,1,0,1); passo x2=falsox_2=\text{falso}: 518\frac{51}8 contro 478\frac{47}8.
  • Lovász (solo enunciato). P(Ai)≤pP(A_i)\le p, ogni evento indipendente da tutti tranne dd, ep(d+1)≤1⇒P(nessun Ai)>0ep(d+1)\le1\Rightarrow P(\text{nessun }A_i)>0. kk-CNF con ogni variabile in al più rr clausole: e2−k(k(r−1)+1)≤1e2^{-k}(k(r-1)+1)\le1; k=10k=10: r≤38r\le38 (0,9850{,}985); union bound solo per m<2km<2^k.
  • Numeri da ricordare. Ramsey con k=5k=5, n=11n=11: E[X]=462⋅2−9=0,902<1E[X]=462\cdot2^{-9}=0{,}902<1 (simulato: il 61,5%61{,}5\% delle colorazioni è senza K5K_5 monocromatici); k=4k=4, n=6n=6: 1532=0,469\frac{15}{32}=0{,}469 (68,6%68{,}6\% delle colorazioni senza K4K_4). Guadagno np−mp2np-mp^2 per p=0,1; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4p=0{,}1;\ 0{,}2;\ 0{,}25;\ 0{,}3;\ 0{,}4: 80; 120; 125; 120; 8080;\ 120;\ 125;\ 120;\ 80. La procedura derandomizzata del taglio non perde mai: ogni vertice guadagna max⁡(c0,c1)−c0+c12≥0\max(c_0,c_1)-\frac{c_0+c_1}2\ge0.
  • Errori tipici. Dire "con probabilità positiva" senza specificare lo spazio; dimenticare che l'attesa intera dà ⌈μ⌉\lceil\mu\rceil; confondere alterazione (si tolgono vertici dopo) con union bound; usare l'indipendenza degli archi di un grafo dove non c'è.

Esercizi su questo argomento