Satz von Cauchy-Davenport

mathematischer Satz

Der Satz von Cauchy-Davenport, englisch Cauchy–Davenport theorem, benannt nach den Mathematikern Augustin-Louis Cauchy und Harold Davenport, ist ein mathematischer Lehrsatz, der dem Übergangsfeld zwischen Additiver Zahlentheorie, Ramseytheorie und Gruppentheorie angehört und Anlass zu einer Anzahl weiterführender Untersuchungen gab. Der Satz behandelt Mächtigkeitsfragen zu Teilmengen von zyklischen Gruppen primer Gruppenordnung.[1][2][3]

Formulierung des Satzes

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Der Satz lässt sich folgendermaßen angeben:[1][4]

Gegeben seien eine Primzahl   und dazu in der zyklischen Gruppe   zwei nichtleere Teilmengen   sowie die zugehörige Teilmenge  .[A 1]
Dann gilt die Ungleichung
 .[A 2]

Zugehörige Sätze

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Zum Umfeld des Satzes von Cauchy-Davenport gehören zahlreiche Resultate und nicht zuletzt vier Sätze, die mit den Namen der Mathematiker Martin Kneser, Henry B. Mann, Paul Erdős, Abraham Ginzburg, Abraham Ziv[A 3] und Noga Alon verbunden sind.

Knesers Satz

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Dieser Satz von Martin Kneser (englisch Kneser's theorem) aus dem Jahre 1955 hat zahlreiche Anwendungen in der Additiven Zahlentheorie und schließt insbesondere den Satz von Cauchy-Davenport in sich ein.[A 4] Er lässt sich folgendermaßen angeben:[5]

Gegeben seien eine abelsche Gruppe  , welche nicht allein aus dem neutralen Element bestehen soll, und darin zwei nichtleere endliche Teilmengen   sowie die zugehörige Teilmenge  .
Dabei soll
 
gelten.
Dann gibt es eine echte Untergruppe   mit
 .

Manns Satz

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Dieser Satz, den man (etwa) in Henry B. Manns Monographie Addition theorems: The Addition Theorems of Group Theory and Number Theory aus dem Jahre 1965 findet, behandelt Mächtigkeitsfragen zu Teilmengen beliebiger Gruppen und beinhaltet ebenfalls eine grundlegende Abschätzung:[6][7][A 5]

Gegeben seien eine (nicht notwendig abelsche!) Gruppe   und darin zwei Teilmengen   sowie die zugehörige Teilmenge  .
Dann gilt
  oder  .

Beweis des Satzes von Mann

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Manns Satz beruht auf einem einfachen Gedankengang:[6][7]

Im Falle   existiert ein Element  . Damit bildet man die Teilmenge

 

und schließt, dass

 

gelten muss, da nämlich bei Vorliegen eines   mit   unmittelbar   folgte, was jedoch unmöglich ist.

Mit dieser Disjunktheit ergibt sich dann sogleich

 .[A 6]

Kombinatorischer Nullstellensatz

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Der kombinatorische Nullstellensatz, englisch Combinatorial Nullstellensatz [sic!], den Noga Alon im Jahre 1999 veröffentlichte,[A 7] ist – wie der Name bereits vermuten lässt – eng verbunden mit dem hilbertschen Nullstellensatz und aus diesem direkt ableitbar. Er zieht in der Kombinatorik und angrenzenden Gebieten eine Anzahl von Folgesätzen nach sich – insbesondere den Satz von Cauchy-Davenport – und lässt sich folgendermaßen darstellen: [8][9]

Gegeben seien eine natürliche Zahl   sowie ein Körper   und dazu der Polynomring  .
Weiter gegeben seien eine natürliche Zahl   sowie ein Polynom   vom Grade  , wobei es unter den Monomen von   eines geben soll von der Gestalt   mit   und  .[A 8]
Gegeben seien schließlich noch endliche Mengen   mit  .
Dann gilt:
Es existieren Elemente   mit  .

Satz von Erdős-Ginzburg-Ziv

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Dieser Satz (englisch Erdős-Ginzburg-Ziv theorem), den Erdős, Ginzburg und Ziv im Jahre 1961 vorlegten und mit Hilfe des Satzes von Cauchy-Davenport bewiesen, besagt Folgendes:[10]

Zu jeder natürlichen Zahl   und zu jeder dazu gegebenen endlichen Folge   von   (nicht notwendig verschiedenen) ganzen Zahlen gibt es eine Teilfolge  , deren Summe   durch   teilbar ist.
Dabei wird der Satz von Cauchy-Davenport benutzt, um den Spezialfall, in dem   eine Primzahl ist, zu zeigen und dann über die eindeutige Primfaktorzerlegung zu argumentieren.

Siehe auch

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Literatur

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Anmerkungen

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  1. Man nennt eine solche in einer abelschen Gruppe enthaltenen Teilmengen   auch Summenmenge (englisch sumset). Summenmengen in abelschen Gruppen bilden einen wesentlichen Gegenstand der Additiven Zahlentheorie.
  2. Mit   bezeichnet man die Mächtigkeit einer Menge  . Ist   eine endliche Menge, so ist   die Anzahl der in   enthaltenen Elemente.
  3. Abraham Ziv, früher Abraham Zubkowski, geboren am 6. März 1940, gestorben am 5. März 2013, war ein israelischer Mathematiker; vgl. Artikel über Ziv in der englischsprachigen Wikipedia!
  4. Der hier vorgetragene Satz ist die abgeschwächte Version eine stärkeren Satzes, den Martin Kneser in einer früheren Arbeit im Jahre 1953 lieferte.
  5. Schwerdtfeger zufolge hat Mann diese Abschätzung bereits 1952 vorgetragen. Angesichts der Einfachheit des dahinter liegenden Grundgedankens ist es naheliegend zu vermuten, dass diese Abschätzung auch schon vorher von anderen Mathematikern gefunden und benutzt wurde.
  6. In einer Gruppe sind Inversion und Linkstranslation stets Bijektionen.
  7. Alon stellte seinen „Combinatorial Nullstellensatz“ bereits 1995 vor, und zwar auf der Tagung über Diskrete Mathematik in Mátraháza, die vom 22. bis 28. Oktober 1995 dort stattfand.
  8. Gemeint ist hier das neutrale Element der abelschen Gruppe  .

Einzelnachweise

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  1. a b Stasys Jukna: Extremal Combinatorics. 2011, S. 232 ff., S. 363 ff.
  2. Henry B. Mann: Addition theorems: The Addition Theorems of Group Theory and Number Theory. 1965, S. 1 ff.
  3. Niederreiter/Winterhof: Applied Number Theory. 2015, S. 383 ff.
  4. Niederreiter/Winterhof, op. cit., S. 384
  5. Jukna, op. cit., S. 363–364
  6. a b Mann, op. cit., S. 1
  7. a b Hans Schwerdtfeger: Introduction to Group Theory. 1976, S. 58
  8. Noga Alon: Combinatorial Nullstellensatz, Combin. Probab. Comput. 8 (1999), S. 7–29
  9. Jukna, op. cit., S. 228 ff., S. 229
  10. Jukna, op. cit., S. 233