每日一题[3245]拉姆塞问题

某校 $n$ 名同学通过选拔进人学校的数学讨论班,在一次讨论班上他们讨论 $A,B$ 和 $C$ 三个问题.已知每位同学都和班里的其他所有同学讨论了其中的一个问题,每两位同学只讨论一个问题.若至少有 $3$ 名同学互相之间讨论的是同一个问题,求 $n$ 的最小值,并给出证明.

解析    $n$ 的最小值是 $17$.将 $n$ 名同学两两讨论问题看作 $n$ 阶完全图,讨论的问题分别为 $A,B,C$ 看作时红蓝绿给边染色,问题即保证图中出现同色三角形的 $n$ 的最小值,拉姆赛问题中证明 $R(3,3,3)=17$
论证     首先证明 $n=17$ 符合题意.从任何一点出发有 $16$ 条边,其中至少有 $6$ 条同色,不妨设为红色.此时这 $6$ 条红边对应的 $6$ 个点(除公共顶点)中某点出发与其他 $5$ 个点的连线至少有 $3$ 条同色,不妨设为蓝色.此时这 $3$ 条蓝边对应的 $3$ 个点之间若有红边,则构成红色三角形;若有蓝边则构成蓝色三角形;若只有绿边,则构成绿色三角形,符合题意.

构造    然后给出 $n=16$ 的构造.考虑 $4$ 位二进制数集\[G=\{0000,0001,\cdots,1111\},\]其中每个数表示 $1$ 个点,将这些数(除 $0000$ 外)分为 $3$ 组:\[\begin{split}
V_{1}&=\{1100,0011,1001,1110,1000\}, \\
V_{2}&=\{1010,0101,0110,1101,0100\}, \\
V_{3}&=\{0001,0010,0111,1011,1111\},\end{split}
\]其中当 $x,y\in G$$x\ne y$ 时,设 $x$$y$ 异或运算得到的结果为 $z$,且 $z\in V_k$$k=1,2,3$),则 $x$$y$ 构成的边染第 $k$ 种颜色.

综上所述,$n$ 的最小值为 $17$

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