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Note per Studenti Esercizio - Cammini hamiltoniani in un torneo casuale (lezioni MIT)

Esercizio - Cammini hamiltoniani in un torneo casuale (lezioni MIT)

Teoria: Metodo probabilistico - valore atteso, alterazioni e derandomizzazioneMetodo probabilistico: se un oggetto casuale ha una proprietà con probabilità positiva (o una variabile ha media mu, quindi qualche esito la raggiunge) allora l'oggetto esiste; taglio di almeno |E|/2, MAX-SAT con 7/8, limite inferiore di Ramsey R(k,k) > 2^(k/2), alterazioni (insiemi indipendenti, Ramsey), derandomizzazione con le aspettative condizionate, lemma locale di Lovász solo enunciato.Metodo probabilistico - valore atteso, alterazioni e derandomizzazione → (principio del valore atteso); indicatori in 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 →. Esempio tratto dalle videolezioni di Probabilistic Methods in Combinatorics, MIT OpenCourseWare.

Testo. Un torneo su nn vertici (giocatori) è un grafo in cui ogni coppia di vertici è collegata da un solo arco orientato (u→vu\to v: uu batte vv). Un cammino hamiltoniano è una sequenza v1→v2→⋯→vnv_1\to v_2\to\dots\to v_n che tocca ogni vertice una volta, seguendo il verso degli archi.

  1. Dimostrare che esiste un torneo su nn vertici con almeno n!2n−1\frac{n!}{2^{n-1}} cammini hamiltoniani.
  2. Calcolare il valore per n=3,4,5,10n=3,4,5,10 e confrontarlo con il torneo transitivo (i→ji\to j se i<ji<j).
  3. Per n=3,4,5n=3,4,5 contare i cammini in tutti i tornei e verificare media e massimo.

Soluzione

1. Torneo casuale. Si orienta ogni arco con una moneta equa, indipendentemente: tutti i 2(n2)2^{\binom n2} tornei sono equiprobabili. Ogni permutazione σ=(v1,…,vn)\sigma=(v_1,\dots,v_n) dei vertici è un possibile cammino; sia Iσ=1I_\sigma=1 se tutti gli archi v1→v2,…,vn−1→vnv_1\to v_2,\dots,v_{n-1}\to v_n hanno il verso giusto. Le n−1n-1 coppie consecutive sono coppie distinte di vertici, quindi i loro archi sono orientati da monete indipendenti: P(Iσ=1)=(12)n−1.P(I_\sigma=1)=\Big(\frac12\Big)^{n-1}. Il numero di cammini hamiltoniani è H=∑σIσH=\sum_\sigma I_\sigma sulle n!n! permutazioni e, per la linearità (non serve l'indipendenza tra le IσI_\sigma, che non c'è: permutazioni diverse condividono archi), E[H]=n!⋅2−(n−1).E[H]=n!\cdot2^{-(n-1)}. Per il principio del valore atteso esiste un torneo con H≥n!2n−1H\ge\frac{n!}{2^{n-1}}. ■\blacksquare La dimostrazione non dice quale torneo: è un risultato di esistenza.

2. Numeri. n!2n−1\frac{n!}{2^{n-1}} vale 64=1,5\frac64=1{,}5, 248=3\frac{24}8=3, 12016=7,5\frac{120}{16}=7{,}5 per n=3,4,5n=3,4,5, e per n=10n=10: 3 628 800512=7087,5\frac{3\,628\,800}{512}=\mathbf{7087{,}5}. Essendo HH intero, esiste un torneo con almeno 22, 33, 88 e 70887088 cammini. Il torneo transitivo ne ha uno solo: ogni cammino deve scendere sempre verso indici più grandi, quindi è 1→2→⋯→n1\to2\to\dots\to n. Un torneo "ordinato" è il peggiore possibile, uno casuale ne ha in media un numero che cresce come n!/2nn!/2^{n}.

3. Enumerazione completa. Per n=3n=3 ci sono 23=82^3=8 tornei: 66 transitivi (un cammino) e 22 cicli a→b→c→aa\to b\to c\to a (tre cammini, uno per ogni punto di partenza). Media 6⋅1+2⋅38=128=1,5\frac{6\cdot1+2\cdot3}{8}=\frac{12}8=1{,}5 ✓. Per n=4n=4 (6464 tornei) e n=5n=5 (10241024 tornei) la distribuzione di HH è:

nn valori di HH (numero di tornei) media massimo
33 1 (6)1\ (6), 3 (2)3\ (2) 1,51{,}5 33
44 1 (24)1\ (24), 3 (16)3\ (16), 5 (24)5\ (24) 33 55
55 1 (120)1\ (120), 3 (120)3\ (120), 5 (240)5\ (240), 9 (240)9\ (240), 11 (120)11\ (120), 13 (120)13\ (120), 15 (64)15\ (64) 7,57{,}5 1515

Le medie coincidono con n!2n−1\frac{n!}{2^{n-1}}, e il massimo (33, 55, 1515) è circa il doppio. Due fatti si leggono dalla tabella: ogni torneo ha almeno un cammino hamiltoniano, e il numero di cammini è sempre dispari (teorema di Rédei).

Risultato. E[H]=n!2n−1E[H]=\frac{n!}{2^{n-1}}, quindi esiste un torneo con almeno tanti cammini hamiltoniani (70887088 per n=10n=10, contro 11 del torneo transitivo).

Verifica.

python
import itertools, math
from collections import Counter
from fractions import Fraction as F

for n in (3, 4, 5):
    coppie = list(itertools.combinations(range(n), 2)); dist = Counter()
    for m in range(1 << len(coppie)):                       # tutti i tornei
        vince = set((i, j) if m >> k & 1 else (j, i) for k, (i, j) in enumerate(coppie))
        dist[sum(all((p[i], p[i + 1]) in vince for i in range(n - 1)) for p in itertools.permutations(range(n)))] += 1
    media = F(sum(h * c for h, c in dist.items()), 1 << len(coppie))
    print(n, sorted(dist.items()), media, F(math.factorial(n), 2 ** (n - 1)))
print(math.factorial(10) / 2 ** 9)

Risultato: 3 [(1, 6), (3, 2)] 3/2 3/2, 4 [(1, 24), (3, 16), (5, 24)] 3 3, 5 [(1, 120), (3, 120), (5, 240), (9, 240), (11, 120), (13, 120), (15, 64)] 15/2 15/2 e 7087.5.

Versione ripasso

Dimostrazione (Metodo probabilistico - valore atteso, alterazioni e derandomizzazioneMetodo probabilistico: se un oggetto casuale ha una proprietà con probabilità positiva (o una variabile ha media mu, quindi qualche esito la raggiunge) allora l'oggetto esiste; taglio di almeno |E|/2, MAX-SAT con 7/8, limite inferiore di Ramsey R(k,k) > 2^(k/2), alterazioni (insiemi indipendenti, Ramsey), derandomizzazione con le aspettative condizionate, lemma locale di Lovász solo enunciato.Metodo probabilistico - valore atteso, alterazioni e derandomizzazione →). Archi orientati a caso; per ogni permutazione σ\sigma l'indicatore IσI_\sigma vale 11 con probabilità 2−(n−1)2^{-(n-1)} (n−1n-1 archi distinti, monete indipendenti). Linearità sulle n!n! permutazioni (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 →): E[H]=n!2n−1E[H]=\frac{n!}{2^{n-1}}, quindi esiste un torneo con almeno tanti cammini.

Numeri. 1,51{,}5, 33, 7,57{,}5, 7087,57087{,}5 per n=3,4,5,10n=3,4,5,10; il torneo transitivo ne ha 11.

Enumerazione. n=3n=3: H=1H=1 in 66 tornei, 33 in 22 (cicli). n=4n=4: 1,3,51,3,5 in 24,16,2424,16,24. n=5n=5: da 11 a 1515, media 7,57{,}5, massimo 1515. HH è sempre dispari e ≥1\ge1 (Rédei).

Errore tipico. Credere che serva l'indipendenza tra le IσI_\sigma: basta la linearità.

Teoria collegata