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Add Erdős Problem 593 (obligatory 3-uniform subhypergraphs, $500 prize) #3774
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| @@ -0,0 +1,266 @@ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Copyright 2026 The Formal Conjectures Authors. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| you may not use this file except in compliance with the License. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| You may obtain a copy of the License at | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Unless required by applicable law or agreed to in writing, software | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| See the License for the specific language governing permissions and | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| limitations under the License. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| import FormalConjectures.Util.ProblemImports | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| import FormalConjecturesForMathlib.Combinatorics.Hypergraph.ThreeUniform | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-! | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| # Erdős Problem 593 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Verbatim statement (Erdős #593, status O):** | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| > Characterize those finite 3-uniform hypergraphs which appear in every 3-uniform hypergraph of chromatic number $>\aleph_0$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Source:** https://www.erdosproblems.com/593 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Notes:** OPEN - $500 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| *Reference:* [erdosproblems.com/593](https://www.erdosproblems.com/593) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| *References for known results:* | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Suggested change
(Seeing this for the third time in your Erdős pull request: we generally just list all references under |
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| - [EGH75] Erdős, Paul and Galvin, Fred and Hajnal, András, On set-systems having large | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| chromatic number and not containing prescribed subsystems. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Infinite and finite sets (Colloq., Keszthely, 1973; dedicated to P. Erdős on his 60th | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| birthday), Vol. I. Colloq. Math. Soc. János Bolyai 10, North-Holland (1975), 425–513. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - [Er95d] Erdős, Paul, Some of my favourite problems in various branches of combinatorics. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Matematiche (Catania) 47 (1992), no. 2, 231–240 (1995). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Problem (Erdős, $500)**: Characterize those finite 3-uniform hypergraphs which appear in | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| every 3-uniform hypergraph of chromatic number $> \aleph_0$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Background:** A hypergraph $H = (V, E)$ is **$r$-uniform** if every hyperedge $e \in E$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| has exactly $r$ vertices. The **chromatic number** $\chi(H)$ of a hypergraph is the minimum | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| number of colors needed to color its vertices so that no hyperedge is monochromatic. A finite | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $r$-uniform hypergraph $F$ is **obligatory** (for the class of $r$-uniform hypergraphs with | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| chromatic number $> \aleph_0$) if every $r$-uniform hypergraph with chromatic number | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $> \aleph_0$ contains a copy of $F$ as a sub-hypergraph. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Known (graph case, $r = 2$, Erdős–Galvin–Hajnal [EGH75]):** For graphs (2-uniform | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hypergraphs), the problem is completely solved: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - A graph of chromatic number $\geq \aleph_1$ must contain all finite bipartite graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - No fixed odd cycle is obligatory: for every odd $k$, there exists a graph with chromatic | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| number $\aleph_1$ that contains no cycle of length $k$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The 3-uniform case remains **open**. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| **Formalization notes:** See `FormalConjecturesForMathlib.Combinatorics.Hypergraph.ThreeUniform` | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| for the definitions of `ThreeUniformHypergraph`, `IsProperColoring`, `chromaticCardinal`, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `Appears`, and `IsObligatory` used throughout this file. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Note: Mathlib does not yet have a general hypergraph API; the infrastructure in | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `FormalConjecturesForMathlib.Combinatorics.Hypergraph.ThreeUniform` fills that gap. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Suggested change
Not need to repeat the statement etc in the module docstring: generally the problem statement and variants for the problem should basically only be written down once, i.e. we generally want to have exactly one verbatim copy of what is written on erdosproblems.com spread across the entire file -- statements of variants should go to the lean statement of those variants and not in the module docstring. |
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| open Cardinal Set SimpleGraph | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| namespace Erdos593 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /- ## Main open problem -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Erdős Problem 593 ($500)**: A finite 3-uniform hypergraph is obligatory iff it is | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2-colorable. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| *Original statement (erdosproblems.com/593)*: "Characterize those finite 3-uniform hypergraphs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| which appear in every 3-uniform hypergraph of chromatic number $> \aleph_0$." | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Background:** In the graph case ($r = 2$), Erdős, Galvin, and Hajnal [EGH75] proved that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| the obligatory finite graphs are exactly the finite bipartite graphs (= 2-colorable graphs). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The natural conjectured 3-uniform analogue — and the conjectural characterization recorded | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| here — is that obligatory finite 3-uniform hypergraphs are exactly the 2-colorable ones | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (Property B). The forward direction (`IsObligatory → IsTwoColorable`) and converse | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (`IsTwoColorable → IsObligatory`) are both open and stated as separate variants below. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Status:** OPEN. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Prize:** \$500 (see erdosproblems.com/593). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Suggested change
Please also fix in other pending prs. |
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research open, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593 : answer(sorry) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (W : Type) [Fintype W] (F : ThreeUniformHypergraph W), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsObligatory F ↔ F.IsTwoColorable := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Erdős Problem 593 — Necessary direction (open)**: Every obligatory finite 3-uniform | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Suggested change
Let's remove the "open" from docstrings altogether -- those are recorded in the category tag and will just be a pain to keep in sync when problems get solved
Member
Author
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hypergraph is 2-colorable. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| This is the natural necessary condition for the conjectural characterization in `erdos_593`: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| if a finite 3-uniform hypergraph `F` is not 2-colorable, one expects to construct a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hypergraph with large chromatic number that contains no copy of `F`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Status:** OPEN. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Suggested change
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research open, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.obligatory_implies_two_colorable : answer(sorry) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (W : Type) [Fintype W] (F : ThreeUniformHypergraph W), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsObligatory F → F.IsTwoColorable := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Erdős Problem 593 — Sufficient direction (open)**: Every finite 2-colorable 3-uniform | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hypergraph is obligatory. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| This is the converse direction of the `erdos_593` characterization: if 2-colorability | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| matches the graph-case characterization (bipartite ⇔ obligatory), then every 2-colorable | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| finite 3-uniform hypergraph must appear in every 3-uniform hypergraph of chromatic number | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $> \aleph_0$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| **Status:** OPEN. Together with `erdos_593.variants.obligatory_implies_two_colorable`, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| this implies `erdos_593`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Collaborator
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research open, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.two_colorable_implies_obligatory : answer(sorry) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (W : Type) [Fintype W] (F : ThreeUniformHypergraph W), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| F.IsTwoColorable → IsObligatory F := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Comment on lines
+50
to
+84
Collaborator
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Member
Author
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theorem erdos_593 : answer(sorry) ↔
∀ (W : Type) [Fintype W] (F : ThreeUniformHypergraph W),
IsObligatory F → F.IsTwoColorable
@[category research open, AMS 5]
theorem erdos_593.variants.two_colorable_implies_obligatory : answer(sorry) ↔
∀ (W : Type) [Fintype W] (F : ThreeUniformHypergraph W),
F.IsTwoColorable → IsObligatory FThe conjecture is that |
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|
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| /- ## Variants and partial results -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Graph analogue — bipartite graphs are obligatory (solved, Erdős–Galvin–Hajnal [EGH75])**: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| For the 2-uniform (graph) case, a graph of chromatic cardinal $> \aleph_0$ must contain all | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| finite bipartite graphs. Specifically, for every finite bipartite graph `F` and every graph | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `G` with chromatic cardinal $> \aleph_0$, there is a graph homomorphism from `F` to `G`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Status:** SOLVED [EGH75]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.graph_case_bipartite_obligatory : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| answer(True) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (V : Type*) (G : SimpleGraph V), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ℵ₀ < G.chromaticCardinal → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (W : Type*) [Fintype W] (F : SimpleGraph W), F.IsBipartite → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nonempty (F →g G) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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Member
Author
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [true_iff] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- This is the Erdős–Galvin–Hajnal theorem [EGH75]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Graph analogue — no odd cycle is obligatory (solved, Erdős–Galvin–Hajnal [EGH75])**: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| For every odd $k \geq 3$, there exists a graph with chromatic cardinal $\aleph_1$ that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| contains no cycle of length $k$. This shows the class of obligatory graphs is strictly | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| smaller than all finite graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Status:** SOLVED [EGH75]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Collaborator
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.graph_case_no_odd_cycle : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| answer(True) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ k : ℕ, Odd k → 3 ≤ k → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (V : Type*) (G : SimpleGraph V), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G.chromaticCardinal = ℵ_ 1 ∧ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsEmpty (cycleGraph k →g G) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [true_iff] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- This is the Erdős–Galvin–Hajnal theorem [EGH75]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Vertices must be uncountable**: Every 3-uniform hypergraph with chromatic cardinal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| $> \aleph_0$ must have an uncountable vertex set. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Proof:** If `V` is countable, there exists an injection `φ : V → ℕ`. Using distinct natural | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| numbers as colors gives a proper coloring, so $\chi(H) \leq \#\mathbb{N} = \aleph_0$, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| contradicting $\chi(H) > \aleph_0$. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.uncountable_vertices_if_large_chromatic | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {V : Type} (H : ThreeUniformHypergraph V) (hχ : ℵ₀ < H.chromaticCardinal) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ¬ Countable V := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro hcount | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Since V is countable, there is an injection φ : V → ℕ. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨φ, hφ⟩ := Countable.exists_injective_nat V | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- The injection φ is a proper coloring using ℕ as the color type: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- each edge has card 3, so we can extract two distinct vertices with distinct images. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hprop : H.IsProperColoring φ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro e he | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Extract 3 distinct elements from e using H.uniform. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hcard : e.card = 3 := H.uniform e he | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Since e.card = 3 ≥ 2, there exist two distinct elements u ≠ v in e. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hge : 1 < e.card := by omega | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨u, hu, v, hv, huv⟩ := Finset.one_lt_card.mp hge | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨u, hu, v, hv, fun heq => huv (hφ heq)⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- So χ(H) ≤ #ℕ = ℵ₀. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hle : H.chromaticCardinal ≤ ℵ₀ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply csInf_le | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- The set {κ | ∃ C, #C = κ ∧ ∃ f, proper} is bounded below by 0. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨0, fun _ ⟨_, _, _, _⟩ => Cardinal.zero_le _⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact ⟨ℕ, Cardinal.mk_nat, φ, hprop⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact absurd (lt_of_lt_of_le hχ hle) (lt_irrefl _) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **No hyperedges implies chromatic cardinal ≤ 1**: A 3-uniform hypergraph with no edges can | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| be properly colored with a single color, so its chromatic cardinal is at most 1. In | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| particular, $\chi(H) > \aleph_0$ implies `H` has at least one hyperedge. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.nonempty_edges_if_large_chromatic | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {V : Type} (H : ThreeUniformHypergraph V) (hχ : ℵ₀ < H.chromaticCardinal) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| H.edges.Nonempty := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_contra hempty | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| push_neg at hempty | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- H has no edges (hempty : H.edges = ∅), so any coloring is proper. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hprop : H.IsProperColoring (fun _ : V => (0 : Fin 1)) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro e he | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hempty] at he | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (Set.mem_empty_iff_false e).mp he |>.elim | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Hence χ(H) ≤ 1 < ℵ₀. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hle : H.chromaticCardinal ≤ 1 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply csInf_le | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact ⟨0, fun _ ⟨_, _, _, _⟩ => Cardinal.zero_le _⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · refine ⟨Fin 1, ?_, fun _ => 0, hprop⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have h1le : (1 : Cardinal) ≤ ℵ₀ := le_of_lt Cardinal.one_lt_aleph0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact absurd (lt_of_lt_of_le hχ (hle.trans h1le)) (lt_irrefl _) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Monotonicity of the obligatory property**: If `F₁` appears in `F₂` and `F₂` is obligatory, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| then `F₁` is also obligatory. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Proof:** For any `H` with $\chi(H) > \aleph_0$, since `F₂` is obligatory, `F₂` appears | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| in `H` via some injection `φ₂`. Since `F₁` appears in `F₂` via `φ₁`, the composition | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `φ₂ ∘ φ₁` witnesses that `F₁` appears in `H`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.obligatory_monotone | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {W₁ W₂ : Type} [Fintype W₁] [Fintype W₂] [DecidableEq W₂] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {F₁ : ThreeUniformHypergraph W₁} {F₂ : ThreeUniformHypergraph W₂} | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (h12 : F₁.Appears F₂) (hObl : IsObligatory F₂) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsObligatory F₁ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro V _hV H hχ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨φ₂, hφ₂_inj, hφ₂_edge⟩ := hObl V H hχ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨φ₁, hφ₁_inj, hφ₁_edge⟩ := h12 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨φ₂ ∘ φ₁, hφ₂_inj.comp hφ₁_inj, fun e he => ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- e.image (φ₂ ∘ φ₁) = (e.image φ₁).image φ₂ by Finset.image_image | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have heq : e.image (φ₂ ∘ φ₁) = (e.image φ₁).image φ₂ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [Finset.image_image] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [heq] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hφ₂_edge _ (hφ₁_edge e he) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **The empty hypergraph is trivially obligatory**: The 3-uniform hypergraph on `PEmpty` (no | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| vertices, no edges) appears in every hypergraph via the empty injection. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| This degenerate case confirms the definition is well-formed. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_593.variants.empty_hypergraph_obligatory : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsObligatory (W := PEmpty) ⟨∅, fun _ h => (Set.mem_empty_iff_false _).mp h |>.elim⟩ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro V _hV H _hχ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨IsEmpty.elim inferInstance, Function.injective_of_subsingleton _, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fun _ h => (Set.mem_empty_iff_false _).mp h |>.elim⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| end Erdos593 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Original file line number | Diff line number | Diff line change |
|---|---|---|
| @@ -0,0 +1,105 @@ | ||
| /- | ||
| Copyright 2026 The Formal Conjectures Authors. | ||
|
|
||
| Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); | ||
| you may not use this file except in compliance with the License. | ||
| You may obtain a copy of the License at | ||
|
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| https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 | ||
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| Unless required by applicable law or agreed to in writing, software | ||
| distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, | ||
| WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. | ||
| See the License for the specific language governing permissions and | ||
| limitations under the License. | ||
| -/ | ||
| module | ||
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| public import Mathlib.Data.Finset.Card | ||
| public import Mathlib.SetTheory.Cardinal.Basic | ||
| public import Mathlib.SetTheory.Cardinal.Ordinal | ||
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| @[expose] public section | ||
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| /-! | ||
| # 3-Uniform Hypergraphs | ||
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| This file defines the basic combinatorial infrastructure for 3-uniform hypergraphs used in | ||
| formalizations of Erdős problems (e.g., Problem 593, Problem 1177). | ||
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| **Note:** Mathlib does not yet have a general hypergraph API. The definitions here fill that | ||
| gap for the special case of 3-uniform hypergraphs (every edge has exactly 3 vertices). | ||
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| ## Main definitions | ||
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| - `ThreeUniformHypergraph V` : a set of 3-element `Finset`s on a vertex type `V` | ||
| - `ThreeUniformHypergraph.IsProperColoring` : vertex coloring with no monochromatic edge | ||
| - `ThreeUniformHypergraph.chromaticCardinal` : minimum cardinality of a color type admitting | ||
| a proper coloring (a `Cardinal`-valued chromatic number, distinguishing infinite values) | ||
| - `ThreeUniformHypergraph.Appears` : sub-hypergraph embedding (injective vertex map | ||
| carrying edges to edges) | ||
| - `ThreeUniformHypergraph.IsTwoColorable` : vertex set has a 2-coloring with no monochromatic | ||
| edge (also called Property B); the 3-uniform analogue of bipartiteness for graphs | ||
| - `IsObligatory` : a finite hypergraph appears in every hypergraph of chromatic cardinal > ℵ₀ | ||
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| ## References | ||
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| - Erdős, Galvin, Hajnal, *On set-systems having large chromatic number and not containing | ||
| prescribed subsystems*, Infinite and finite sets, 1975. | ||
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| open Cardinal Set | ||
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| /-- A **3-uniform hypergraph** on vertex type `V` is a set of 3-element `Finset`s. | ||
| Each element of `edges` is a hyperedge, and `uniform` ensures each has exactly 3 vertices. | ||
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| Note: Mathlib does not yet have a general hypergraph API; this fills that gap for the | ||
| 3-uniform case relevant to Erdős problems 593 and 1177. -/ | ||
| structure ThreeUniformHypergraph (V : Type) where | ||
| /-- The set of hyperedges: each edge is a 3-element finset of vertices. -/ | ||
| edges : Set (Finset V) | ||
| /-- Every hyperedge has exactly 3 vertices. -/ | ||
| uniform : ∀ e ∈ edges, e.card = 3 | ||
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| namespace ThreeUniformHypergraph | ||
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| /-- A **proper coloring** of a 3-uniform hypergraph `H` by a color type `C` is a vertex | ||
| coloring such that no hyperedge is monochromatic (all three vertices receive the same color). -/ | ||
| def IsProperColoring {V : Type} (H : ThreeUniformHypergraph V) {C : Type} (f : V → C) : Prop := | ||
| ∀ e ∈ H.edges, ∃ u ∈ e, ∃ v ∈ e, f u ≠ f v | ||
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| /-- The **chromatic cardinal** of a 3-uniform hypergraph `H` is the infimum of cardinalities | ||
| of color types admitting a proper coloring. | ||
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| In contrast to a `ℕ∞`-valued chromatic number, this `Cardinal`-valued definition distinguishes | ||
| between different infinite chromatic numbers (e.g., `ℵ₀` vs. `ℵ₁`). We work at `Type` | ||
| (universe 0) throughout to avoid universe metavariable issues. -/ | ||
| noncomputable def chromaticCardinal {V : Type} (H : ThreeUniformHypergraph V) : Cardinal.{0} := | ||
| sInf {κ : Cardinal.{0} | ∃ (C : Type), #C = κ ∧ ∃ f : V → C, H.IsProperColoring f} | ||
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| /-- A finite 3-uniform hypergraph `F` **appears** in `H` (as a sub-hypergraph) if there | ||
| exists an injective vertex map `φ : W → V` that sends every hyperedge of `F` to a hyperedge | ||
| of `H`. -/ | ||
| def Appears {W V : Type} [DecidableEq V] (F : ThreeUniformHypergraph W) | ||
| (H : ThreeUniformHypergraph V) : Prop := | ||
| ∃ φ : W → V, Function.Injective φ ∧ ∀ e ∈ F.edges, e.image φ ∈ H.edges | ||
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| /-- A 3-uniform hypergraph `F` is **2-colorable** (has **Property B**) if there exists a | ||
| 2-coloring of its vertices with no monochromatic edge. | ||
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| This is the hypergraph analogue of bipartiteness for graphs: a graph is bipartite iff it | ||
| is 2-colorable as a graph. For 3-uniform hypergraphs, 2-colorability is a necessary condition | ||
| for being obligatory (every obligatory finite 3-uniform hypergraph is 2-colorable). -/ | ||
| def IsTwoColorable {V : Type} (F : ThreeUniformHypergraph V) : Prop := | ||
| ∃ f : V → Fin 2, F.IsProperColoring f | ||
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| end ThreeUniformHypergraph | ||
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| /-- A finite 3-uniform hypergraph `F` on a `Fintype` vertex type is **obligatory** if it | ||
| appears in every 3-uniform hypergraph (on a `Type`-valued vertex set) whose chromatic | ||
| cardinal exceeds `ℵ₀`. -/ | ||
| def IsObligatory {W : Type} [Fintype W] (F : ThreeUniformHypergraph W) : Prop := | ||
| ∀ (V : Type) [DecidableEq V] (H : ThreeUniformHypergraph V), | ||
| ℵ₀ < H.chromaticCardinal → F.Appears H | ||
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| end |
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