Convex hole小故事

Update:我們的結果在https://arxiv.org/abs/2002.10646就被人證明過了QQ

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最近跟子超和吴茁的paper終於上arXiv了,這是我在IBS visit的時候的產物XD,János Pach丟給子超後我們三個討論的,最後靠著茁哥carry後做出來XD

講結果之前先來簡介一下背景知識。Erdős跟Szekeres證明了平面上給你足夠多in general position (平面上的話任三點不共線)的點,那總是可以找到一個凸的k邊形。所以下個問題就是,那我能不能找到空的凸k邊形,稱為convex k-hole (凸洞(???))。結論是,答案是不行的,Horton給出了任意多點沒有7-hole的構造,然後7是最小滿足這件事的數字。聰明的讀者在這裡就會問出很多延伸問題,像是更高維度呢?3\leq k\leq 6的時候k-hole最多可以有幾個啊?如果我只考慮格點啊?如果我把點塗色能不能找到同色的3-hole啊?諸如此類的問題。

那第一個問題呢,正是我phd的第一個project。我們證明了在d維的時候,7對應的神奇數字上界是O(4^dd\log d),但已知下界是線性的,雖然還是差很遠,但原本上界是O(d^{d+o(d)})。(請見:https://arxiv.org/abs/2007.08972)

回到現在這篇paper,這裡我們關心的問題是數3-hole的個數,也就是空的三角形。

問題:給定平面上n個任三點不共線的點,請問至少能找到幾個空的三角形?

而這個問題不難(如果只關心order的話),答案是n^2這個order,下界的話你考慮任兩點連線段與離他最近的點形成的三角形,上界留給讀者思考(?)。那如果我把點集合圖成紅色跟藍色呢?

問題:給定平面上2n個任三點不共線的點,n個塗紅n個塗藍,請問至少能找到幾個空的同色的三角形?幾個空的兩同一異的三角形?

前者是困難的,後者是簡單的XD,後者下界基本上是同一招,考慮一個紅藍連線段跟與他最近的點。但聰明的讀者會發現,這樣可能是紅紅藍也可能是紅藍藍三角形。那我如果限制只用一種呢?

問題:給定平面上2n個任三點不共線的點,n個塗紅n個塗藍,請問至少能找到幾個空的紅紅藍三角形?

試了很多構造後,還是會猜測是n^2這個order。在我們的paper中,我們證明了至少有n^{1.5}這個order這麼多個。證明大致概念如下:

  1. 如果某個區域的紅色比藍色多很多,那總是可以找到很多要的三角形。
  2. 如果從每個紅點連出去,紅色跟藍色都是很交錯的,那你也可以找到很多要的三角形。
  3. 如果從某個紅點連出去,紅色跟藍色各自坨再一起的話,那你就可以製造出第一點要的某個區域。

實際證明並沒有很長,還有我努力tikz的精美圖片XD,非常建議有空當休閒讀物看看(?) (請見:https://arxiv.org/abs/2409.17078)

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