すべての原始語のセットは主要言語ですか?


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ワード呼び出されるプリミティブない単語が存在しない場合は、及びように。アルファベット上のすべての原語の集合は、よく知られている言語です。WLOGを選択できます。wwvvk>1k>1w=vkw=vkQQΣΣΣ={a,b}Σ={a,b}

言語でプライムすべての言語用の場合は、とと我々はまたは。LLAABBL=A⋅BL=A⋅BA={ϵ}A={ϵ}B={ϵ}B={ϵ}

Qプライムですか?

私たちはどちらか持っていることを示すことができたソルバーSATの助けを借りてまたはそうでないとして因数分解することができませんと、それ以来立ち往生されています。{a,b}⊆A{a,b}⊆A{a,b}⊆B{a,b}⊆B{ababa,babab}⊂Q{ababa,babab}⊂QAABB

回答:


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答えはイエスです。私たちは、因数分解があるとQ = A ⋅ BをQ=A⋅B。

一つの簡単な観察は、という点であるAAとBはB互いに素でなければなりません(以降のためにwが∈ A ∩ Bw∈A∩B我々が得るwは2 ∈ Qw2∈Q)。具体的には、一つだけのA 、BをA,B含有することができますεϵ。(他の場合は完全に対称であるため)、我々はWLOGをとることができるε ∈ Bϵ∈B。以来、その後とbが空でない要因に分解することができない、我々は持っている必要があり、B ∈ Aを。aba,b∈A

我々が取得横そのm個のB N ∈ A(および、完全に同様に、BのM N ∈ A)すべてのためのM 、N > 0で誘導することにより、M。ambn∈Abman∈Am,n>0m

以下のために、M = 1m=1、以降B N ∈ Q、我々が持っている必要があり、BがN = Uは、VとU ∈ A 、V ∈ B。以来、Uは≠ ε、VがなければならないbのKいくつかのためのK ≤ N。しかし、もしK > 0、それ以来、B ∈ A、我々が得るbは1つの+ K ∈ Q、矛盾。そうabn∈Qabn=uvu∈A,v∈Bu≠ϵvbkk≤nk>0b∈Ab1+k∈QV = εv=ϵ、及び B N ∈ A。 abn∈A

誘導ステップのために、以降M + 1、B N ∈ Q我々はM + 1つの bはN = Uは、VとU ∈ A 、V ∈ B。再びのでuは≠ ε、我々はどちらか持っているVは= k個のBをNいくつかについて0 < K < M + 1、又はV = BのKいくつかのために、K <am+1bn∈Qam+1bn=uvu∈A,v∈Bu≠ϵv=akbn0<k<m+1v=bkn個k<n。しかし、前者の場合には、 vがvすでにある AAので、帰納法の仮定によって、V 2 ∈ Qv2∈Q、矛盾。後者の場合、我々は持っている必要があり、K = 0k=0(すなわち、 V = εv=ϵ)のためのB ∈ Aは、b∈A我々が取得 bは1 + K ∈ Qb1+k∈Q。そう U = A M + 1、B N ∈ Au=am+1bn∈A。

今とプリミティブワードの一般的な場合を検討Rのr間の交番及びBを、すなわち、Wはいずれかであり、M 1、B nは1 ... M 、S、B 、N 、S、BのM 1、A nは1 ... BのM のN sのための(R = 2 s − 1)、a m 1 b n 1 … a m sabwam1bn1…amsbnsbm1an1…bmsansr=2s−1+ 1am1bn1…ams+1またはb m 1 a n 1 …b m s + 1bm1an1…bms+1(r=2sの場合r=2s); rの帰納法を使用して、それらがすべてAAにあることを示すことができます。これまでに行ったことは、ベースケースr=0およびr=1をカバーしていました。rr=0r=1

R > 1r>1、我々は上の別の誘導を使用メートル1m1用として非常に同じように動作し、R = 1r=1以上:

場合、M 1 = 1m1=1、次にwは= Uは、Vw=uvとU ∈ A 、V ∈ Bu∈A,v∈B、及びのでuは≠ εu≠ϵ、Vは、vより少ない有するr個のr交番。ように、Vv(またはケースにそのルートVv自体がプリミティブでない)であり、AA上の帰納法の仮定によりRrしない限り、上記と矛盾するため、V = εv=ϵ。だから、W = U ∈ Aw=u∈A。

場合M 1 > 1m1>1、任意の因数分解で、W = Uは、Vw=uvとUは≠ εu≠ϵ、Vがv少ない交番を有するいずれか(その根はであるAAない限り、V = εv=ϵ上の帰納法の仮定によりRr)、またはより短い最初のブロック(およびそのルートがない限り、AであるV = εv=ϵ上の帰納法の仮定により、M 1m1)。いずれの場合も、我々は、我々が持っている必要があることを取得するV = εv=ϵすなわち、W = U ∈ Aをw=u∈A。


以下の場合Q ':= Q ∪ { εは}Q′:=Q∪{ϵ}かなり複雑です。ノートには明らかなものは、任意の分解であることをQ = A ⋅ BQ=A⋅B、両方のAA及びBは、Bの部分集合でなければならないQ 'とA ∩ B = { ε }。また、Bは、中に含まれなければならないA ∪ B。

少し余分な作業を行うと、aとbが同じサブセットにある必要があることを示すことができます。そうでなければ、ことWLOGを想定∈ AとB ∈ B。私たちはそのましょうワット∈ Q "持って適切な因数分解を場合、W = U 、VとU ∈ A ∖ { ε }とV ∈ B ∖ { ε }。私たちはどこに応じて2つ(左右対称)のサブケースを持っbは行く(それがでなければなりませんA or B since it has no proper factorization).

  • If ba∈A, then aba has no proper factorization since ba,a∉B. Since aba∈A would imply abab∈A⋅B, we get aba∈B. As a consequence, bab is neither in A (which would imply bababa∈A⋅B) nor in B (which would imply abab∈A⋅B). Now consider the word babab. It has no proper factorization since bab∉A∪B and abab,baba are not primitive. If babab∈A, then since aba∈B we get (ba)4∈A⋅B; if babab∈B, then since a∈A we get (ab)3∈A⋅B. So there is no way to have babab∈A⋅B, contradiction.
  • The case ba∈B is completely symmetric. In a nutshell: bab has no proper factorization and cannot be in B, so it must be in A; therefore aba cannot be in A or B; therefore ababa has no proper factorization but also cannot be in either A or B, contradiction.

I am currently not sure how to proceed beyond this point; it would be interesting to see if the above argument can be systematically generalized.


Wow, you have my respect. I'll go through it later today or tomorrow as I don't have time right now, but I am seriously impressed :) It took me a few hours to get that {a, b} are in A but I didn't exploit that \epsilon is not a primitive word. How did you approach this problem (or was it "just do it"?)? How long did it take you to come up with that proof?
— Henning

Thanks! I got the main idea (showing that any nonempty proper suffix of words must be in A) by thinking about what happens to some "simple" words. ϵ,a, and b were relatively straightforward, an or bn were out of the question, and considering ab,abb,abbb,… got me on the right path.
— Klaus Draeger

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Your proof is beautiful and not as hard as I thought (I feel quite stupid now, I spent some time thinking about it). However it seems to heavily relay on epsilon not being element of Q. Is Q∪{ϵ} also prime?
— Henning

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Good question! I'll have to get back to you on that one.
— Klaus Draeger

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Thanks for the comments, and sorry for the delay. The case where we want to include the empty word seems to be more complicated, see update.
— Klaus Draeger
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