The degree of a vertex


Bài này là phần tiếp theo của bài https://nttuan.org/2023/09/01/graph02/


Cho đồ thị \displaystyle G=(V,E). Bậc của một đỉnh \displaystyle v\in G, ký hiệu \displaystyle \deg_G(v) hoặc \displaystyle \deg (v), là số đỉnh của \displaystyle G kề với \displaystyle v.  Đỉnh có bậc bằng \displaystyle 0 được gọi là đỉnh cô lập. Đỉnh có bậc bằng 1 được gọi là lá. Nếu mọi đỉnh của \displaystyle G đều có bậc \displaystyle k thì ta nói \displaystyle G\displaystyle k-đều.

Định lý 1. Trong mỗi đồ thị có cấp lớn hơn \displaystyle 1, tồn tại ít nhất hai đỉnh có cùng bậc.

Chứng minh. Gọi \displaystyle n là cấp của đồ thị. Bậc của mỗi đỉnh của đồ thị là một số tự nhiên bé hơn \displaystyle n. Vì vậy, nếu các đỉnh của đồ thị có bậc đôi một khác nhau thì có đỉnh cô lập và có đỉnh kề với mọi đỉnh khác, vô lý. \Box

Định lý 2. Với mỗi đồ thị \displaystyle G=(V,E), ta có

\displaystyle \displaystyle \sum_{v\in V}\deg (v)=2\mid E\mid.

Chứng minh. Khi ta cộng tất cả bậc của các đỉnh, ta đã đếm mỗi cạnh đúng hai lần, một cho mỗi đầu mút của nó. \Box

Hệ quả. Số đỉnh bậc lẻ trong một đồ thị là số chẵn.

Ví dụ 1. Có đồ thị với dãy bậc của đỉnh như sau hay không?

(a) \displaystyle 3,2,2,2.

(b) \displaystyle 3,3,2,2.

(c) 4,4,1,1,1,1.

Hướng dẫn. Ý đầu là không vì tổng bậc phải chẵn, ý thứ hai là có. Ý thứ ba là không, vì nếu có thì khi xét hai đỉnh bậc \displaystyle 4, có ít nhất \displaystyle 6 cạnh đến các đỉnh bậc \displaystyle 1, vô lý. \Box

Vào năm 1960, Paul Erdos và Tibor Gallai đã tìm được kết quả sau:

Định lý 3 (Erdos-Gallai). Dãy số nguyên không âm \displaystyle d_1\geq d_2\geq\ldots \geq d_n là dãy bậc của một đồ thị trên \displaystyle n đỉnh khi và chỉ khi \displaystyle \sum d_i chẵn và

\displaystyle \sum_{i=1}^kd_i\leq k(k-1)+\sum_{i=k+1}^n\min\{d_i,k\},\quad \forall k=\overline{1,n}.

Ví dụ 2. Cho một tập hợp \displaystyle S gồm \displaystyle 100 điểm trong mặt phẳng sao cho khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ trong \displaystyle S không bé hơn \displaystyle 1. Chứng minh rằng có không nhiều hơn \displaystyle 300 cặp điểm (không kể thứ tự) mà khoảng cách giữa hai điểm trong mỗi cặp bằng \displaystyle 1.

Hướng dẫn. Xét đồ thị \displaystyle G trên \displaystyle S được xác định như sau: Tập con \displaystyle \{A,B\} của \displaystyle S là một cạnh của \displaystyle G khi và chỉ khi \displaystyle AB=1.\displaystyle \deg (v)\leq 6 với mọi \displaystyle v\in S, nên \displaystyle \mid E(G)\mid \leq 1/2\times 6\times 100=300. \Box

Ví dụ 3. Cho một lớp học có số học sinh là số chẵn. Chứng minh rằng tồn tại hai học sinh trong lớp có số người quen chung trong lớp là số chẵn.

Lời giải. Xét đồ thị \displaystyle G trên tập hợp \displaystyle V các học sinh trong lớp được xác định như sau: với hai đỉnh \displaystyle a\displaystyle b của \displaystyle G, có một cạnh nối \displaystyle a\displaystyle b khi \displaystyle a\displaystyle b quen nhau. Giả sử ngược lại rằng với mỗi \displaystyle a\displaystyle b phân biệt thuộc \displaystyle V, \displaystyle \mid N(a)\cap N(b)\mid là số lẻ. Nói riêng, mỗi hai đỉnh có ít nhất một láng giềng chung.

Nhận xét. Mọi đỉnh của \displaystyle G đều có bậc chẵn.

Chứng minh. Xét một đỉnh \displaystyle x bất kỳ và xem \displaystyle N(x) như đồ thị con cảm sinh của \displaystyle G. Ta thấy \displaystyle \sum_{y\in N(x)}\deg_{N(x)}(y) là số chẵn và mỗi số hạng là lẻ, suy ra \mid N(x)\mid là số chẵn. \Box

Bây giờ cố định một đỉnh \displaystyle x bất kỳ của \displaystyle G. Đặt \displaystyle X=V\setminus (N(x)\cup \{x\}). Khi đó \displaystyle X có số phần tử lẻ. Ta quan tâm đến số \displaystyle \alpha các cạnh có một đầu mút thuộc \displaystyle X đầu mút kia thuộc \displaystyle N(x) theo hai cách. Nếu chọn đầu mút thuộc \displaystyle X trước thì ta thấy \displaystyle \alpha là số lẻ, trong khi nếu chọn đầu mút thuộc \displaystyle N(x) trước thì ta thấy \displaystyle \alpha là số chẵn (theo nhận xét), vô lý. \Box

Continue reading “The degree of a vertex”

Probability space


Các bạn đọc lại bài https://nttuan.org/2024/01/24/naive-definition-of-probability/ để theo dõi bài cho dễ dàng.


Một họ \mathcal{G} các tập con của một tập hợp \Omega được gọi là một đại số các tập con của \Omega nếu nó có ba tính chất sau:

(1) \Omega\in\mathcal{G}.

(2) Nếu C\in \mathcal{G} thì \Omega\setminus C\in\mathcal{G}.

(3) Nếu C_1,C_2,\ldots,C_n\in\mathcal{G} thì \displaystyle \bigcup_{i=1}^nC_i\in\mathcal{G}.

Ví dụ 1. Với tập hợp \displaystyle \Omega, ta có họ \displaystyle \mathcal{G}=\{\emptyset,\Omega\} là một đại số các tập con của \displaystyle \Omega. \Box

Bổ đề 1. Cho \displaystyle \mathcal{G} là một đại số các tập con của \displaystyle \Omega. Khi đó

(1) \displaystyle \emptyset\in\mathcal{G}.

(2) Nếu \displaystyle C_1,C_2,\ldots,C_n\in\mathcal{G} thì \displaystyle \bigcap_{i=1}^nC_i\in\mathcal{G}.

 (3) Nếu \displaystyle C_1,C_2\in\mathcal{G} thì C_1\setminus C_2\in\mathcal{G}.

Chứng minh.\displaystyle \Omega\in\mathcal{G} nên \displaystyle \emptyset=\Omega\setminus\Omega cũng thuộc \displaystyle \mathcal{G}. Nếu \displaystyle C_1, \displaystyle C_2, \displaystyle \ldots, \displaystyle C_n\in\mathcal{G} thì

\displaystyle \Omega\setminus \bigcap_{i=1}^nC_i=\bigcup_{i=1}^n(\Omega\setminus C_i)\in\mathcal{G},

suy ra \displaystyle \bigcap_{i=1}^nC_i\in\mathcal{G}. Cuối cùng, nếu \displaystyle C_1, \displaystyle C_2\in\mathcal{G} thì \displaystyle C_1\setminus C_2=\Omega\setminus ((\Omega\setminus C_1)\cup C_2)\in\mathcal{G}. \Box

Định nghĩa 1. Một họ \displaystyle \mathcal{G} các tập con của một tập hợp \displaystyle \Omega được gọi là một \displaystyle \sigma-đại số các tập con của \displaystyle \Omega nếu nó có ba tính chất sau:

(1) \displaystyle \Omega\in\mathcal{G}.

(2) Nếu \displaystyle C\in \mathcal{G} thì \displaystyle \Omega\setminus C\in\mathcal{G}.

(3) Nếu \displaystyle C_1,C_2,\ldots\in\mathcal{G} thì \displaystyle \bigcup_{i=1}^{\infty}C_i\in\mathcal{G}.

Lúc này ta gọi \displaystyle \Omega là không gian mẫu và các phần tử của \displaystyle \mathcal{G} là các biến cố, hay sự kiện. 

Mỗi \displaystyle \sigma-đại số là một đại số, ngược lại không đúng.

Ví dụ 2. \displaystyle \sigma-đại số nhỏ nhất các tập con của \displaystyle \Omega\displaystyle \{\emptyset,\Omega\}. \Box

Ví dụ 3. Nếu \displaystyle A là một tập con của \displaystyle \Omega thì \displaystyle \{\emptyset,\Omega,A,\overline{A}\} là một \displaystyle \sigma-đại số các tập con của \displaystyle \Omega. \Box

Ví dụ 4. Họ tất cả các tập con của \displaystyle \Omega\displaystyle \sigma-đại số lớn nhất các tập con của \displaystyle \Omega. \Box

Định nghĩa 2. Một không gian đo được là một cặp \displaystyle (\Omega,\mathcal{F}), trong đó \displaystyle \Omega là một tập hợp và \displaystyle \mathcal F là một \displaystyle \sigma-đại số các tập con của \displaystyle \Omega. Khi \displaystyle \Omega là hữu hạn hoặc đếm được thì không gian đo được \displaystyle (\Omega,\mathcal{F}) được gọi là rời rạc.

Mỗi khi xét không gian đo được rời rạc (\Omega,\mathcal{F}), ta chỉ xét \mathcal F\sigma-đại số tất cả các tập con của \Omega.

Định nghĩa 3. Cho một không gian đo được \displaystyle (\Omega,\mathcal{F}). Độ đo xác suất \displaystyle \mathbb{P} trên \displaystyle (\Omega,\mathcal{F}) là một hàm \displaystyle \mathbb{P}:\mathcal{F}\to [0;1] thỏa mãn đồng thời hai điều sau:

(1) \displaystyle \mathbb{P}(\emptyset)=0\mathbb{P}(\Omega)=1.

(2) Nếu \displaystyle A_1,A_2,\ldots là một dãy các phần tử đôi một rời nhau của \displaystyle \mathcal F thì \displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^{\infty}A_i\right)=\sum_{i=1}^{\infty}\mathbb{P}(A_i).

Lúc này thì bộ ba \displaystyle (\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) được gọi là không gian xác suất. Với mỗi sự kiện \displaystyle A, ta gọi \displaystyle \mathbb{P}(A) là xác suất của \displaystyle A.

Với không gian xác suất \displaystyle (\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) và biến cố \displaystyle A, ta gọi \displaystyle A là biến cố rỗng nếu \displaystyle \mathbb{P}(A)=0 và là biến cố chắc chắn nếu \displaystyle \mathbb{P}(A)=1. Ta có thể xác định một không gian xác suất tương ứng với mỗi phép thử. Khi đó các bài toán liên quan đến phép thử sẽ chuyển về các bài toán trong không gian xác suất tương ứng.

Ví dụ 5. Một đồng xu, có thể không cân, được tung lên một lần. Với phép thử này ta xác định không gian xác suất \displaystyle (\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) như sau: Không gian mẫu \displaystyle \Omega=\{0;1\} (như trong bài trước, sấp được ghi là \displaystyle 1 và ngửa được ghi là \displaystyle 0), \displaystyle \mathcal{F} là họ tất cả các tập con của \displaystyle \Omega, và độ đo xác suất \displaystyle \mathbb{P}:\mathcal{F}\to [0;1] được định nghĩa bởi

 \displaystyle\mathbb{P}(\emptyset)=0,\,\mathbb{P}(\Omega)=1,\,\mathbb{P}(\{1\})=p,\,\mathbb{P}(\{0\})=1-p.

Ở đây \displaystyle p là một số thực thuộc đoạn \displaystyle [0;1]. Đồng xu này là cân đối nếu \displaystyle p=1/2. \Box

Ví dụ 6. Một con xúc xắc được tung một lần. Với phép thử này ta xác định không gian xác suất \displaystyle (\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) như sau: Không gian mẫu \displaystyle \Omega=[6], \mathcal{F} là họ tất cả các tập con của \displaystyle \Omega, và độ đo xác suất \displaystyle \mathbb{P}:\mathcal{F}\to [0;1] được định nghĩa bởi

 \displaystyle \mathbb{P}(A)=\sum_{i\in A}p_i, \quad \forall A\subset \Omega.

Ở đây \displaystyle p_1,p_1,\ldots,p_6 là các số thực không âm có tổng bằng \displaystyle 1. Xác suất để xuất hiện mặt có \displaystyle i chấm là \displaystyle p_i. Con xúc xắc này là cân đối nếu các \displaystyle p_i đều bằng \displaystyle 1/6. Khi đó \displaystyle \mathbb{P}(A)=\frac{\mid A\mid }{6}, \quad \forall A\subset \Omega, bằng xác suất xảy ra \displaystyle A theo định nghĩa ngây thơ (cổ điển) của xác suất. \Box

Sau đây là một số tính chất của độ đo xác suất.

Bổ đề 2. Cho một không gian xác suất \displaystyle (\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}). Khi đó

(1) Với mỗi biến cố A, ta có \displaystyle \mathbb{P}(\overline{A})=1-\mathbb{P}({A}).

(2) Nếu \displaystyle A\displaystyle B là các biến cố thỏa mãn \displaystyle A\subset B thì \displaystyle \mathbb{P}({B})=\mathbb{P}({A})+\mathbb{P}({B\setminus A})\geq \mathbb{P}({A}).

(3) Nếu \displaystyle A_1,A_2,\ldots,A_n\displaystyle n>1 biến cố thì

 \displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^nA_i\right)=\sum_{i=1}^n\mathbb{P}({A_i})-\sum_{i<j}\mathbb{P}({A_i\cap A_j})+\sum_{i<j<k}\mathbb{P}({A_i\cap A_j\cap A_k}) \displaystyle -\ldots +(-1)^{n+1}\mathbb{P}(A_1\cap A_2\cap \ldots \cap A_n).

Chứng minh. Xét một biến cố \displaystyle A. Vì \displaystyle\Omega=A\cup\overline{A}\displaystyle A\cap\overline{A}=\emptyset nên

\displaystyle 1=\mathbb{P}(\Omega)=\mathbb{P}(A\cup\overline{A})=\mathbb{P}({A})+\mathbb{P}\overline{A}),

suy ra \displaystyle \mathbb{P}(\overline{A})=1-\mathbb{P}({A}). Bây giờ xét hai biến cố \displaystyle A\displaystyle B với \displaystyle A\subset B. Vì biến cố \displaystyle B là hợp của hai biến cố rời nhau \displaystyle A\displaystyle B\setminus A nên

 \displaystyle\mathbb{P}({B})=\mathbb{P}({A})+\mathbb{P}({B\setminus A})\geq \mathbb{P}({A}).

Ta sẽ chứng minh khẳng định cuối cùng bằng quy nạp theo \displaystyle n. Xét hai biến cố \displaystyle A\displaystyle B. Biến cố \displaystyle A\cup B là hợp của hai biến cố rời nhau \displaystyle A\displaystyle B\setminus A nên

\displaystyle\mathbb{P}(A\cup {B}) =\mathbb{P}({A})+\mathbb{P}({B\setminus A})=  \mathbb{P}({A})+\mathbb{P}({B\setminus (A\cap B)})=\mathbb{P}({A})+\mathbb{P}({B})-\mathbb{P}(A\cap B),

suy ra khẳng định đúng với \displaystyle n=2. Bây giờ giả sử khẳng định đúng với số nguyên dương \displaystyle n= k\, (k>1). Xét \displaystyle k+1 biến cố \displaystyle A_1, \displaystyle A_2,\ldots, \displaystyle A_{k+1}. Vì khẳng định đúng với \displaystyle n=2 nên

\displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^{k+1}A_i\right)=\mathbb{P}\left(\left(\bigcup_{i=1}^{k}A_i\right)\bigcup A_{k+1}\right)

\displaystyle =\mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^{k}A_i\right)+\mathbb{P}\left(A_{k+1}\right)-\mathbb{P}\left(\left(\bigcup_{i=1}^{k}A_i\right)\bigcap A_{k+1}\right)

\displaystyle =\mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^{k}A_i\right)+\mathbb{P}\left(A_{k+1}\right)-\mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^{k}\left(A_i\bigcap A_{k+1}\right)\right).

Đến đây dùng giả thiết quy nạp ta thấy khẳng định đúng với \displaystyle n=k+1. Theo nguyên lý quy nạp toán học, khẳng định đúng với mỗi số nguyên \displaystyle n>1. \Box

Từ chứng minh trên, bằng quy nạp theo n, ta thu được \displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcup_{i=1}^nA_i\right)\leq\sum_{i=1}^n\mathbb{P}(A_i).

Continue reading “Probability space”

Algebraic number


Các em học sinh hãy chứng minh các khẳng định trong bài ngắn dưới đây. Tài liệu tham khảo là

[1] https://nttuan.org/2018/08/25/poly03/

[2] https://nttuan.org/2009/01/11/poly02/

[3] https://nttuan.org/2021/04/30/sqrt/


Một số phức \alpha được gọi là một số đại số nếu có đa thức f(x) khác đa thức không có hệ số trong \mathbb{Q} nhận \alpha làm nghiệm. Một số đại số được gọi là số nguyên đại số nếu nó là nghiệm của một đa thức có hệ số nguyên với hệ số cao nhất bằng 1.

\sqrt[3]{2}i là các số đại số. Số \frac{1}{2} là một số đại số nhưng không phải số nguyên đại số. Những số phức không phải là số đại số sẽ được gọi là các số siêu việt. Người ta chứng minh được e\pi là các số siêu việt.

Cho một số đại số \alpha. Đa thức tối tiểu của \alpha là đa thức khác không f(x)\in\mathbb{Q}[x] có bậc nhỏ nhất thỏa mãn

  • hệ số cao nhất của f bằng 1, và
  •  \alpha là một nghiệm của f.

Định lí 1. Đa thức tối tiểu là tồn tại và duy nhất với mỗi số đại số.

Định lí 2. Cho số đại số \alpha. Khi đó

  • Đa thức tối tiểu của \alpha là bất khả quy trên \mathbb{Q}.
  •  Nếu g\in\mathbb{Q}[x] thì \alpha là nghiệm của g khi và chỉ khi g chia hết cho đa thức tối tiểu của \alpha.
  •  Nếu đa thức tối tiểu của \alpha có bậc n thì với mỗi đa thức f với hệ số hữu tỷ, tồn tại đa thức g có bậc bé hơn n với hệ số hữu tỷ sao cho f(\alpha)=g(\alpha).

Bài 1. Chứng minh rằng \sqrt{2}+\sqrt{3} là một số đại số và tìm đa thức tối tiểu của nó.

Bài 2. Cho p(x) là một đa thức với hệ số nguyên thỏa mãn p(\sqrt{2}+\sqrt{3})=0. Chứng minh rằng p(\sqrt{2}-\sqrt{3})=0.

Định lí 3. Nếu \alpha\beta là các số đại số (nguyên đại số) thì \alpha\pm\beta\alpha\beta cũng là các số đại số (nguyên đại số). Nếu \alpha\not=0 là một số đại số thì 1/\alpha cũng là một số đại số.

Khẳng định thứ hai không đúng đối với các số nguyên đại số.

Bài 3. Số \sqrt {1001^2 + 1} + \sqrt {1002^2 + 1} + \cdots + \sqrt {2000^2 + 1} có phải là số hữu tỷ hay không?

IMO Shortlist 2022: Algebra


Trong bài này tôi sẽ dịch phần Đại số trong cuốn IMO Shortlist 2022. Các năm trước bạn có thể tìm ở đường dẫn https://nttuan.org/2023/07/02/isl/.

Các phần khác trong cuốn IMO Shortlist 2022 tôi đã để ở các bài dưới đây:

Hình học https://nttuan.org/2023/09/08/isl2022-geometry/

Tổ hợp https://nttuan.org/2023/09/29/isl2022-combinatorics/


A1. Cho (a_n)_{n\geq 1} là một dãy số thực dương có tính chất (a_{n+1})^2 + a_na_{n+2} \leq a_n + a_{n+2} với mọi số nguyên dương n. Chứng minh rằng a_{2022}\leq 1.

A2. Cho một số nguyên k\ge2. Tìm số nguyên n \ge k+1 nhỏ nhất sao cho tồn tại một tập n số thực có tính chất: mỗi phần tử của nó có thể viết được dưới dạng tổng của k phần tử phân biệt khác của tập hợp.

A3. Gọi \mathbb{R}^+ là tập hợp các số thực dương. Tìm tất cả các hàm f: \mathbb{R}^+ \to \mathbb{R}^+ sao cho với mỗi x \in \mathbb{R}^+, có đúng một y \in \mathbb {R}^+ thỏa mãn xf(y)+yf(x) \leq 2. (IMO2022/2)

A4. Gọi n \geqslant 3 là một số nguyên và x_1,x_2,\ldots,x_n là các số thực trong đoạn [0,1]. Đặt s=x_1+x_2+\ldots+x_n và giả sử rằng s \geqslant 3. Chứng minh rằng tồn tại các số nguyên ij với 1 \leqslant i<j \leqslant n sao cho 2^{j-i}x_ix_j>2^{s-3}.

A5. Tìm tất cả các số nguyên dương n \geqslant 2 sao cho tồn tại n số thực a_1<\cdots<a_n và số thực r>0 để \frac{1}{2}n( n-1) hiệu a_j-a_i với 1 \leqslant i<j \leqslant n bằng, theo một thứ tự nào đấy, các số r^1,r^2,\ldots,r^{\frac{ 1}{2}n(n-1)}.

A6. Chúng ta nói rằng một hàm f\colon\mathbb R\to\mathbb R là tốt nếu f(x + f(y)) = f(x) + f(y) với mọi x,y\in\mathbb R. Tìm tất cả các số hữu tỉ q sao cho với mọi hàm tốt f, tồn tại một số thực z sao cho f(z) = qz.

A7. Với số nguyên dương m, ký hiệu s(m) là tổng các chữ số của m trong hệ thập phân. Gọi P(x)=x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0 là một đa thức, trong đó n \geqslant 2a_i là một số nguyên dương với mọi 0 \leqslant i \leqslant n-1. Có thể xảy ra với mỗi số nguyên dương k, s(k)s(P(k)) có cùng tính chẵn – lẻ?

A8. Với số nguyên dương n, một n-dãy là một dãy (a_0,\ldots,a_n) gồm các số nguyên không âm có tính chất: nếu ij là các số nguyên không âm với i+j \leqslant n, thì a_i+a_j \leqslant na_{a_i+a_j}=a_{i+j}. Gọi f(n) là số n-dãy. Chứng minh rằng tồn tại các số thực dương c_1, c_2\lambda sao cho c_1\lambda^n<f(n)<c_2\lambda^n với mọi số nguyên dương n.