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Add Erdős Problem 595 (K₄-free graph not union of triangle-free, $250 prize) #3775
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| @@ -0,0 +1,296 @@ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| # Erdős Problem 595 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Verbatim statement (Erdős #595, status O):** | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| > Is there an infinite graph $G$ which contains no $K_4$ and is not the union of countably many triangle-free graphs? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Source:** https://www.erdosproblems.com/595 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Notes:** OPEN - $250 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| *Reference:* [erdosproblems.com/595](https://www.erdosproblems.com/595) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| *References for known results:* | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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Suggested change
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| - [Er87] Erdős, Paul, Problems and results on set systems and hypergraphs. Extremal problems | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| for finite sets (Visegrád, 1991), Bolyai Soc. Math. Stud. (1994), 217-227. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - [Fo70] Folkman, Jon, Graphs with monochromatic complete subgraphs in every edge coloring. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| SIAM J. Appl. Math. (1970), 19:340-345. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - [NeRo75] Nešetřil, Jaroslav and Rödl, Vojtěch, Type theory of partition problems of graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Recent advances in graph theory (Proc. Second Czechoslovak Sympos., Prague, 1974), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Academia, Prague (1975), 405-412. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## Overview | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Problem (Erdős–Hajnal, $250)**: Is there an infinite graph $G$ which contains no $K_4$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| and is not the union of countably many triangle-free graphs? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| The "union of countably many triangle-free graphs" condition means that the edge set of $G$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| can be covered by countably many subgraphs, each of which is triangle-free (i.e., $K_3$-free). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Known (finite case):** Folkman [Fo70] and Nešetřil–Rödl [NeRo75] proved independently that | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| for every $n \geq 1$ there exists a graph $G$ (which may be taken finite) that contains no $K_4$ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| and whose edges cannot be coloured with $n$ colours such that each colour class is triangle-free. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| This means the *finite* version of the problem (with $n$ colours instead of countably many) has | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| a positive answer. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Open question:** Whether the *infinite* version holds — i.e., whether a single graph can | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simultaneously be $K_4$-free and not expressible as a countable union of triangle-free graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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Suggested change
Let's not duplicate the docstrings in the module header |
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| See also [596] for the more general problem of which pairs $(G_1, G_2)$ exhibit this phenomenon. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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Suggested change
Let's not repeat the docstrings here (if we have the docstring only once there will be less work to keep them in sync when we change something...) |
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| ## Formalization note | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| In `SimpleGraph V`, the complete lattice structure allows forming countable suprema | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `⨆ i : ℕ, H i`. The key lemma `SimpleGraph.iSup_adj` states: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `(⨆ i, H i).Adj a b ↔ ∃ i, (H i).Adj a b`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| We use this to define `IsCountableUnionOfTriangleFree G` as the existence of a family | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `H : ℕ → SimpleGraph V` of triangle-free graphs with `G = ⨆ i, H i`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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mo271 marked this conversation as resolved.
Outdated
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| open SimpleGraph Set | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| namespace Erdos595 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| def IsCountableUnionOfTriangleFree {V : Type*} (G : SimpleGraph V) : Prop := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ H : ℕ → SimpleGraph V, (∀ i, (H i).CliqueFree 3) ∧ G = ⨆ i, H i | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ## Main open problem | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Erdős Problem 595 ($250)**: Is there an infinite graph $G$ which contains no $K_4$ and is | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| not the union of countably many triangle-free graphs? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| A problem of Erdős and Hajnal [Er87]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Formalization:** We ask for the existence of an infinite type `V` (witnessed by `[Infinite V]`) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| and a `SimpleGraph V` that is $K_4$-free (`G.CliqueFree 4`) but not a countable union of | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| triangle-free graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Prize:** \$250 (see erdosproblems.com/595). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Status:** OPEN. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Known (Folkman [Fo70], Nešetřil–Rödl [NeRo75]):** For every finite `n ≥ 1`, there exists a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| graph (even a finite one) that is $K_4$-free but not a union of `n` triangle-free graphs. This | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| is the variant `erdos_595.variants.folkman_finite`. However, whether `n` can be replaced by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `ℵ₀` (countably infinite) is the content of this open problem. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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Collaborator
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Suggested change
The price is mentioned also above, the formalisation note doesn't really ad anything |
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research open, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595 : answer(sorry) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (V : Type*) (_ : Infinite V) (G : SimpleGraph V), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G.CliqueFree 4 ∧ ¬IsCountableUnionOfTriangleFree G := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ## Variants and partial results | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Folkman–Nešetřil–Rödl (finite version) [Fo70, NeRo75]**: For every `n ≥ 1`, there exists a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| graph `G` (on a finite vertex set) that contains no $K_4$ and whose edges cannot be covered by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `n` triangle-free graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| More precisely: for every `n : ℕ` with `1 ≤ n`, there exist a finite type `V` and a graph | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `G : SimpleGraph V` with: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. `G.CliqueFree 4` (no $K_4$), and | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. For every family `H : Fin n → SimpleGraph V` of triangle-free graphs, `G ≠ ⨆ i, H i`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| This is the finite analogue of Problem 595. The proofs of Folkman [Fo70] and Nešetřil–Rödl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| [NeRo75] give different explicit constructions. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category research solved, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595.variants.folkman_finite : answer(True) ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ n : ℕ, 1 ≤ n → | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ (V : Type*) (_ : Fintype V) (G : SimpleGraph V), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G.CliqueFree 4 ∧ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ (H : Fin n → SimpleGraph V), (∀ i, (H i).CliqueFree 3) → G ≠ ⨆ i, H i := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [true_iff] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Folkman [Fo70] and Nešetřil–Rödl [NeRo75]: explicit construction exists. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| sorry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Monotonicity**: If `G` is a countable union of triangle-free graphs and `H ≤ G` (i.e., `H` is | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| a subgraph of `G`), then `H` is also a countable union of triangle-free graphs. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| **Proof**: If `G = ⨆ i, G_i` with each `G_i` triangle-free, then `H = ⨆ i, H ⊓ G_i`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Each `H ⊓ G_i` is triangle-free because it is a subgraph of `G_i`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595.variants.subgraph_of_countable_union | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {V : Type*} {G H : SimpleGraph V} | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (hH : H ≤ G) (hG : IsCountableUnionOfTriangleFree G) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsCountableUnionOfTriangleFree H := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨f, hf_free, hf_eq⟩ := hG | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨fun i => H ⊓ f i, fun i => (hf_free i).anti inf_le_right, ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ext a b | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [iSup_adj, inf_adj] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| constructor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · intro hab | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have habG : G.Adj a b := hH hab | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hf_eq, iSup_adj] at habG | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨i, hi⟩ := habG | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨i, hab, hi⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · rintro ⟨i, hHab, _⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hHab | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Triangle-free graphs are trivially countable unions of triangle-free graphs**: if `G` is | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| already triangle-free, then `G = ⨆ i : ℕ, G_i` where `G_0 = G` and `G_i = ⊥` for `i ≥ 1`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595.variants.triangle_free_is_union | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| {V : Type*} (G : SimpleGraph V) (hG : G.CliqueFree 3) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsCountableUnionOfTriangleFree G := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨fun i => if i = 0 then G else ⊥, fun i => ?_, ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · by_cases h : i = 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · simp [h, hG] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · simp [h, cliqueFree_bot (by norm_num : 2 ≤ 3)] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · ext a b | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [iSup_adj] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| constructor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · intro hab | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨0, by simp [hab]⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · rintro ⟨i, hi⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| by_cases h : i = 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · simp [h] at hi; exact hi | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · simp [h] at hi | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **The complete graph `⊤` on `ℕ` is a countable union of triangle-free graphs**: we decompose | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| it into the family of star graphs `{H_m}_{m : ℕ}`, where `H_m` is the graph with edges `{m, n}` | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| for all `n ≠ m`. Each star is triangle-free (any two non-center vertices share no edge within | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| the star), and their union covers all edges of `⊤`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Proof sketch (star triangle-free):** If `{a, b, c}` were a triangle in `H_m`, then each of | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| the three edges `{a, b}`, `{a, c}`, `{b, c}` would pass through `m`. In particular, from | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `{a, b}` we get `a = m` or `b = m`; from `{b, c}` we get `b = m` or `c = m`. Case analysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| shows that two vertices must equal `m`, contradicting the triangle having three distinct vertices. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595.variants.complete_nat_is_union : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsCountableUnionOfTriangleFree (⊤ : SimpleGraph ℕ) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Star at m: edges are all {a, b} where a = m or b = m (and a ≠ b, by SimpleGraph.fromRel). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨fun m => SimpleGraph.fromRel (fun (a b : ℕ) => a = m ∨ b = m), | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fun m => ?_, ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- Each star H_m is triangle-free. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [CliqueFree] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro s hs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [isNClique_iff] at hs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨hs_clique, hs_card⟩ := hs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [isClique_iff] at hs_clique | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨a, b, c, hab, hac, hbc, hs_eq⟩ := Finset.card_eq_three.mp hs_card | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Extract membership in s. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have ha : a ∈ s := hs_eq ▸ Finset.mem_insert_self a _ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hb : b ∈ s := hs_eq ▸ Finset.mem_insert.mpr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (Or.inr (Finset.mem_insert_self b _)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hc : c ∈ s := hs_eq ▸ Finset.mem_insert.mpr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (Or.inr (Finset.mem_insert.mpr (Or.inr (Finset.mem_singleton_self c)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Each pair is adjacent in H_m. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hab_adj := hs_clique ha hb hab | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hac_adj := hs_clique ha hc hac | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hbc_adj := hs_clique hb hc hbc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- fromRel_adj: (fromRel r).Adj x y ↔ x ≠ y ∧ (r x y ∨ r y x) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- For r x y = (x = m ∨ y = m): r x y ∨ r y x simplifies to x = m ∨ y = m. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [fromRel_adj] at hab_adj hac_adj hbc_adj | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Extract "a = m or b = m", "a = m or c = m", "b = m or c = m". | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have ham_or_bm : a = m ∨ b = m := hab_adj.2.elim id Or.symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have ham_or_cm : a = m ∨ c = m := hac_adj.2.elim id Or.symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hbm_or_cm : b = m ∨ c = m := hbc_adj.2.elim id Or.symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Case analysis: whichever vertex equals m forces another to equal m as well, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- contradicting distinctness. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rcases ham_or_bm with rfl | rfl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- a = m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rcases hbm_or_cm with rfl | rfl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact absurd rfl hab -- b = a = m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact absurd rfl hac -- c = a = m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- b = m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rcases ham_or_cm with rfl | rfl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact hab.symm rfl -- a = b = m, so a = m and b = m, contradiction | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · exact hbc rfl -- c = b = m, so b = c, contradiction | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- The union ⨆ m, H_m equals ⊤. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ext a b | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [iSup_adj, fromRel_adj, top_adj] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Goal: a ≠ b ↔ ∃ m, a ≠ b ∧ ((a = m ∨ b = m) ∨ (b = m ∨ a = m)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨fun hab => ⟨a, hab, Or.inl (Or.inl rfl)⟩, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fun ⟨_, hne, _⟩ => hne⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **The complete graph `⊤` on `Fin 4` is not $K_4$-free**: `⊤` on `Fin 4` equals the complete | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| graph $K_4$, so it contains $K_4$ as a subgraph and is not $K_4$-free. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| This sanity check confirms the $K_4$-free hypothesis of Problem 595 is non-trivial. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category textbook, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595.variants.K4_not_cliqueFree : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ¬ (⊤ : SimpleGraph (Fin 4)).CliqueFree 4 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [not_cliqueFree_iff] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨(Iso.completeGraph (Fintype.equivFin (Fin 4))).symm.toEmbedding⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /-- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| **Reformulation via edge colourings**: A graph `G` is a countable union of triangle-free graphs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| if and only if there is a colouring of the edges of `G` by `ℕ` such that no monochromatic | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| triangle exists. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| More precisely: `IsCountableUnionOfTriangleFree G` is equivalent to the existence of a map | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `c : G.edgeSet → ℕ` such that for each `n : ℕ`, the subgraph of edges coloured `n` is triangle-free. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| @[category test, AMS 5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| theorem erdos_595.variants.reformulation_edge_colouring {V : Type*} (G : SimpleGraph V) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| IsCountableUnionOfTriangleFree G ↔ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ c : G.edgeSet → ℕ, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∀ n : ℕ, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (SimpleGraph.fromEdgeSet {e | ∃ h : e ∈ G.edgeSet, c ⟨e, h⟩ = n}).CliqueFree 3 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Note: `c : G.edgeSet → ℕ` is exactly `EdgeLabeling G ℕ`, and the `fromEdgeSet` expression | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- is exactly `EdgeLabeling.labelGraph c n`. We use `EdgeLabeling.iSup_labelGraph` for (←). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| constructor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- (→): Given H : ℕ → SimpleGraph V with G = ⨆ H i and each H i triangle-free, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- construct c : G.edgeSet → ℕ by choosing some i containing each edge classically. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rintro ⟨H, hH_free, hH_eq⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- For each edge e = s(a,b) of G, use iSup_adj to find some H i containing it. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- We use Sym2.ind to destructure e into s(a,b) form and then apply mem_edgeSet + iSup_adj. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hcov : ∀ e : G.edgeSet, ∃ i, (e : Sym2 V) ∈ (H i).edgeSet := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fun ⟨e, he⟩ => Sym2.ind (fun a b he => by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hH_eq, mem_edgeSet, iSup_adj] at he | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact he.imp fun i hi => hi) e he | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Define c by classical choice of the covering index. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨fun e => (hcov e).choose, fun n => ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- Show the subgraph of edges coloured n is a subgraph of H n, hence triangle-free. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply (hH_free n).anti | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro x y hxy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [fromEdgeSet_adj] at hxy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨⟨h_mem, h_eq⟩, _⟩ := hxy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- h_eq : (hcov ⟨s(x,y), h_mem⟩).choose = n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- choose_spec gives s(x,y) ∈ (H (choose)).edgeSet; after rewriting with h_eq, in H n. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hspec := (hcov ⟨s(x, y), h_mem⟩).choose_spec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [h_eq] at hspec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hspec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · -- (←): Given c : G.edgeSet → ℕ, define H n = fromEdgeSet {e | ∃ h, c ⟨e,h⟩ = n}. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- This is EdgeLabeling.labelGraph c n, so ⨆ n, H n = G by iSup_labelGraph. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rintro ⟨c, hc⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine ⟨fun n => SimpleGraph.fromEdgeSet {e | ∃ h : e ∈ G.edgeSet, c ⟨e, h⟩ = n}, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hc, ?_⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -- G = ⨆ n, (labelGraph c n) follows from EdgeLabeling.iSup_labelGraph. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (EdgeLabeling.iSup_labelGraph (G := G) c).symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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| end Erdos595 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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