數學(xué)系里一般不叫離散數學(xué),一般都稱(chēng)為組合數學(xué)(Combinatorics)。這里注意一下,組合數學(xué)研究的對象不一定是離散的(比如graph limit theory中會(huì )研究一類(lèi)連續函數的拓撲性質(zhì)),我更愿意把組合數學(xué)稱(chēng)為具體數學(xué)(Concrete Math)。
我個(gè)人覺(jué)得,組合數學(xué)家里幾乎沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為算法做理論設計的。算法的理論,一般屬于理論計算機科學(xué)(Theoretical Computer Science),隸屬于計算機系。
那組合數學(xué)家在做什么呢?美國數學(xué)會(huì )給組合數學(xué)分了五類(lèi):計數組合,編碼與設計理論,圖論,極值組合,代數組合。我個(gè)人認為這個(gè)分類(lèi)已經(jīng)過(guò)時(shí)了二十年了。我這里說(shuō)一下我認為組合數學(xué)里最常見(jiàn)最核心的幾個(gè)領(lǐng)域。因為水平所限,肯定會(huì )有不全或者錯漏。
結構圖論(Structural graph theory)與圖的染色(Graph coloring)
我沒(méi)有把圖論分作一類(lèi),因為目前圖論領(lǐng)域里明顯有兩類(lèi)風(fēng)格迥異的數學(xué)家。結構圖論顧名思義,主要研究目標是圖的結構,包括graph minor; graph immersion; topological graph theory; perfect graph等等很多分支。圖的染色就是考慮確定圖的染色數,或者用染色數為圖分類(lèi)。我把這兩個(gè)方向放到一起,因為我覺(jué)得大部分做其中一個(gè)方向的數學(xué)家也做另外一個(gè)方向。
極值組合(Extremal combinatorics)與極值圖論(Extremal graph theory)
極值組合研究的是滿(mǎn)足某種條件下的一種結構的極限情況,極值圖論研究的就是圖了。這個(gè)方向也是組合目前最主流也是競爭最激烈的方向之一,包括Turan問(wèn)題,Ramsey問(wèn)題等等臭名昭著(zhù)的難題。
代數組合(Algebraic combinatorics)
這個(gè)方向我了解的不多,因為和我個(gè)人taste不是很相符。有的組合學(xué)家不承認代數組合是組合的分支,因為有些代數組合的問(wèn)題來(lái)源自抽象數學(xué)(Abstract Math),并不是具體數學(xué)。這里分支也有很多,比如組合交換代數,組合表示論等等。
算數組合(Arithmetic combinatorics)
這個(gè)領(lǐng)域比較廣,一般認為包括加性組合(Additive Combinatorics)和乘性組合(Multiplicative Combinatorics)。很多我們耳熟能詳的數學(xué)家比如陶哲軒,Bourgain等,都在這個(gè)領(lǐng)域做了很多貢獻。狹義的說(shuō)加性組合研究阿貝爾群上的組合結構,乘性組合研究一般群的結構。加性組合研究的問(wèn)題比如Freiman type theorem;Pseudorandomness等;乘性組合的問(wèn)題比如Approximate group;growth rate of group等。這個(gè)領(lǐng)域的用到的其他分支的數學(xué)比較多,包括圖論,極值組合,概率,代數,調和分析,代數幾何,離散幾何,邏輯等。
計數組合(Enumeration combinatorics)與解析組合(Analytic combinatorics)
這里顧名思義就是使用代數/復分析等工具來(lái)計數了。注意并不是所有的計數問(wèn)題都在這里,比如數平面圖有多少個(gè)就屬于計數組合問(wèn)題,但是數沒(méi)有三角形的最大的圖的個(gè)數就屬于極值組合。一般其他的數學(xué)分支,比如代數拓撲,常會(huì )用到的組合大多是這個(gè)分支。
離散幾何(Discrete geometry)
這個(gè)領(lǐng)域和算數組合有點(diǎn)像,使用其他分支的工具也很多。比較著(zhù)名的問(wèn)題比如sphere packing;kissing number;equiangular lines等等。其中四維和24維sphere packing問(wèn)題就是用代數幾何解決的。這里還包含一個(gè)子分支重合幾何(incidence geometry),主要研究點(diǎn)線(xiàn)面的關(guān)系的幾何,這里面調和分析與極值組合用的會(huì )多一些,也是一個(gè)很新很熱門(mén)的分支。有的人也會(huì )把重合幾何叫代數組合幾何(Algebraic combinatorial geometry),因為重合幾何的一個(gè)主要研究對象也是多項式或者代數/半代數曲線(xiàn)。
編碼理論(Coding theory)與設計(Design)
我對這個(gè)幾乎不了解。但是確實(shí)也是組合的一大主流分支。20世紀著(zhù)名的科克曼女生問(wèn)題就是這個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題。
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