Множество больших тригонометрических сумм
Множество больших тригонометрических сумм — понятие теории чисел — множество индексов, в которых преобразование Фурье характеристической функции заданного подмножества группы принимает достаточно большие значения.
Для удобства изложения далее в статье используется сокращение МБТС, хотя оно не является общепринятым.
Предпосылки к изучению[править | править код]
В классическом методе тригонометрических сумм часто требуется оценить сверху значение модуля суммы для некоторого подмножества циклической группы. Если эта сумма имеет малый модуль при всех , то из этого можно сделать выводы о равномерности распределения среди непрерывных отрезков вычетов по модулю . Это оказывается верным, например, для множества квадратичных вычетов[1] (и вообще степенных вычетов[2]), дискретных логарифмов последовательных чисел[3] или (для простых ) выражений вида , где — обратный элемент относительно умножения (суммы Клоостермана)[4].
Естественным образом возникает вопрос: если не для всех рассматриваемые суммы имеют малый модуль, то для сколь многих этот модуль может быть очень большим, и для каких именно наборов значений это может выполняться? Например, очевидно, что если это выполняется для , то и для тоже, но возникает вопрос о существовании других таких всеобщих закономерностей, не зависящих от природы множества .
Данный вопрос нашёл широкое рассмотрение в аддитивной комбинаторике, идеей которой и является выявление закономерностей в структуре множеств при минимальных ограничениях на них, а коэффициенты Фурье находят в ней широкое применение.
Определение[править | править код]
Закономерности, касающиеся МБТС, рассматриваются, как правило, исходя из двух параметров — размера основного множества и границы, по которой отделяются значения тригонометрических сумм. Иногда для удобства границу на тригонометрические суммы записывают не в явном виде, а параметризуют через её отношение к размеру множества (поскольку модуль суммы, очевидно, никогда не больше размера множества). Из-за этого, а также от различной нормировки коэффициентов Фурье, выражения в формулировках определений и теорем у разных авторов могут различаться, но суть исследуемых соотношений остаётся той же.
Пусть — натуральное число, , Пусть также обозначает -й коэффициент Фурье (не нормированный) характеристической функции . Тогда множества больших тригонометрических сумм с параметром определяются (с точностью до параметра ) как |
Некоторые приёмы изучения[править | править код]
Приближение функции множеством[править | править код]
Для построения примеров множеств, обладающих МБТС с теми или иными свойствами, часто строятся функции, обладающие соответствующие коэффициентами Фурье, а потом на этом основании констатируется существование множеств, коэффициенты Фурье которых не сильно отличаются от коэффициентов этих функций[6][7][8]. Основания для этого даёт следующая лемма, доказательство которой восходит к общей линейно-алгебраической идее и выходит за рамки науки о МБТС.
Если , то существует множество размера такое, что [9] |
Фильтрация коэффициентов Фурье[править | править код]
Для вывода общих утверждений об МБТС некоторых множеств удобно использовать[10][11] функции, образованные из индикаторной функции множества фильтрацией коэффициентов Фурье по этому МБТС, то есть такую функцию , что
Оказывается, что у таких функций большая часть суммы значений также концентрируется в .
Свойства[править | править код]
Размер[править | править код]
Из равенства легко получается. что .
Для некоторых значений эта оценка достаточно точна по порядку роста.
Пример — квадратичные вычеты[править | править код]
Если — множество квадратичных вычетов по простому модулю , , то для оценка превращается в неравенство близкое к .
С помощью конструкции вида эту идею можно обобщить на МБТС с меньшей относительно модуля границей на значение суммы. При этом между оценкой и реальным размером МБТС образуется та же разница.
Пример — подряд идущие числа[править | править код]
В примере с квадратичными вычетами величина близка к фиксированной. Чтобы найти примеры с произвольной величиной , достаточно рассмотреть множество , где .
Тогда (то есть направления векторов, соответствующих , ограничены довольно узким углом) и поэтому , так что верна оценка снизу . Более того, так как , то верно даже, что
Однако при оценка сверху превращается в неравенство .
Получается, что и оценка сверху также точна до умножения на константу.
Структура[править | править код]
Степень структурированности МБТС в разных смыслах может быть оценена достаточно точна когда они достаточно велики. В случае, когда они имеют малый размер, МБТС могут быть вполне произвольными.
Аддитивная энергия[править | править код]
С одной стороны, МБТС допускают нижнюю оценку на аддитивную энергию любого своего подмножества.
Если , то [11] |
Достаточно похожим образом оценить энергию множеств вида и просуммировать результаты по значениям
Для оценки энергии используется функция. коэффициенты Фурье которой суть коэффициенты , отфильтрованные по . Так как, из общих соображений, значения такой функции очень насыщены в , то достаточно с помощью серии неравенств Гёльдера и операций со свёртками оценить эту насыщенность через конструкцию и некий множитель, зависящий от (то есть от ). Конструкция же , благодаря вычитанию из (то есть благодаря условию на оценку сверху), оценивается сверху через величину аддитивной энергии (с некоторым добавочным множителем).
С другой стороны, при некоторых дополнительных (не слишком сильных) условиях на параметры существует множество , для которого верна и верхняя оценка , причём [12]. Это говорит о том, что иногда МБТС могут быть всё-таки достаточно большими и бесструктурными одновременно.
Для построения используется множество , обладающее специальным образом усиленным свойством диссоциативности.
Само множество определяется как объединение сдвигов различных арифметических прогрессий с разностями , причём сдвиги выбираются таким образом. чтобы каждая новая добавляемая во множество прогрессия имела с уже построенным множеством как можно меньшее пересечение.
МБТС такого множества содержит в себе объединение такого же количества других арифметических прогрессий (что позволяет говорить о его большом размере) и одновременно с этим само содержится в объединении тех же арифметических прогрессий, только более удлинённых в обе стороны (а это позволяет из общих комбинаторных соображений вывести, что его аддитивная энергия не велика).
В случае, когда имеет максимально возможный размер, эти оценки (если первую рассматривать для ) совпадают с точностью до константы, зависящей от . То есть для довольно широкого класса значений параметров существуют множества, мера структурированности МБТС которых определена почти однозначно, причём их МБТС оказываются тем более бесструктурны, чем больше в них элементов (чем больше разница между и ).
Аддитивная размерность[править | править код]
Другая изучаемая характеристика — аддитивная размерность МБТС, то есть размер максиимального содержащегося в нём диссоциативного множества. Далее эта величина обозначается как .
Чанг в 2002 году доказала, что [13][14]. Основу доказательства составляло применение неравенства Рудина к функции, образованной из индикаторной функции множества фильтрацией коэффициентов Фурье по [10].
В то же время Грин в 2003 году показал, что при условиях
существует множество , для которого [15][7].
То есть при рассмотрении достаточно больших значений сумм аддитивную размерность МБТС также можно оценить достаточно точно.
Произвольность[править | править код]
Если МБТС достаточно мало́ по сравнению со своим максимально возможным размером, то общая оценка на аддитивную энергию оказывается тривиальной, то есть не позволяет ничего сказать о внутренней структуре множества.
Оказывается, что в этом случае о ней ничего сказать и нельзя — то есть произвольное множество может быть малым МБТС.
Теорема (Шкредов) Если то и [6] |
Достаточно рассмотреть функцию такую, что
и применить лемму о приближении её коэффициентов Фурье через коэффициенты Фурье индикаторной функцию множества.
Основным ограничением здесь служит — остальные обусловлены общей природой тригонометрических сумм.
Ограничение на размер может быть ослаблено до если добавить условие на то, что обладает некоторым свойством, являющимся вариацией диссоциативности[16].
Связь между МБТС разных множеств[править | править код]
МБТС множеств размера (половина размера группы) в некотором смысле покрывают структуру всех остальных МБТС.
Теорема (Грин) Если , то для всякого существует такое, что и [8] |
Обобщения[править | править код]
МБТС могут изучаться не только для циклических, но и для любых групп если правильным образом обобщить понятие коэффициента Фурье[17].
Например, для любого и множества его -МБТС содержит в себе подгруппу размера (последнее выражение означает тетрацию)[18].
Приложения[править | править код]
Чанг применила оценки на аддитивную размерность МБТС к улучшению оценок в теореме Фреймана[14].
Литература[править | править код]
- Б. И. Сегал. Тригонометрические суммы и некоторые их применения к теории чисел // Успехи математических наук. — 1946. — Вып. 3—4 (13-14). — С. 147—193.
- М. А. Королёв. Методы оценок коротких сумм Клоостермана // Чебышевский сборник. — 2016. — Т. 17, вып. 4. — С. 79—109.
- И. Д. Шкредов. Некоторые примеры множеств больших тригонометрических сумм // Математический сборник. — 2007. — Т. 198, вып. 12. — С. 105—140.
- И. Д. Шкредов. О множествах больших тригонометрических сумм // Известия РАН, серия математика. — 2008. — Т. 72, вып. 1. — С. 161—182.
- Mei-Chu Chang. A polynomial bound in Freiman's theorem (англ.) // Duke Mathematical Journal. — 2002. — Vol. 113, iss. 3. — P. 399—419.
- Ben Green. Some Constructions in the Inverse Spectral Theory of Cyclic Groups (англ.) // Combinatorics, Probability and Computing. — 2003. — Vol. 12, iss. 2. — P. 127-138.
- Ben Green. A Szemerédi-type regularity lemma in abelian groups, with applications (англ.) // Geometric & Functional Analysis GAFA. — 2005. — Vol. 15, iss. 2. — P. 340-376.
Примечания[править | править код]
- ↑ Сегал, 1946, с. 151.
- ↑ Сегал, 1946, с. 159—160.
- ↑ Сегал, 1946, с. 163.
- ↑ Королёв, 2016, с. 81—82.
- ↑ Шкредов, 2008, с. 161.
- ↑ 1 2 Шкредов, 2007, с. 109, предложение 2.1.
- ↑ 1 2 Грин, 2003, с. 131—133, леммы 3.2, 3.3.
- ↑ 1 2 Грин, 2003, с. 129, лемма 2.3.
- ↑ Грин, 2003, с. 129, лемма 2.2.
- ↑ 1 2 Препринт работы Чанг Архивная копия от 1 декабря 2016 на Wayback Machine, с. 17, лемма 3.1
- ↑ 1 2 Шкредов, 2008, с. 163, теорема 5.
- ↑ Шкредов, 2007, с. 118, теорема 2.11.
- ↑ Шкредов, 2008, с. 162, теорема 1 (без доказательства).
- ↑ 1 2 Чанг, 2002.
- ↑ Шкредов, 2008, с. 162, теорема 4 (без доказательства).
- ↑ Шкредов, 2007, с. 112, предложение 2.9.
- ↑ Шкредов, 2007, с. 108.
- ↑ Грин, 2005, с. 345, теорема 2.1.