Erdős 问题 #993

树的独立多项式的单峰性。1987 年提出,开放 40 年。

对任何树 $T$,其独立多项式 $I(T;x) = \sum_{k} i_k(T) \, x^k$ 的系数序列是单峰的。其中 $i_k(T)$ 是 $T$ 中大小为 $k$ 的独立集数目。

题目什么意思?

独立集 (independent set):图里两两不相邻的一组顶点。 记 $i_k(T)$ 为大小为 $k$ 的独立集数目($i_0(T) = 1$,因为空集也是独立集)。 把它们排成多项式 $I(T;x) = i_0 + i_1 x + i_2 x^2 + \cdots$,叫做 $T$ 的独立多项式

单峰 (unimodal):系数序列 $i_0, i_1, i_2, \dots$ 先不减、再不增。形象地说就是"先涨后跌",中间一个峰。

树 $T = P_6$(六个点的路径) 1 2 3 4 5 6 $I(P_6; x) = 1 + 6x + 10x^2 + 4x^3$ 系数序列: $(1, 6, 10, 4)$ — 先涨到 10,再降至 4,单峰 ✓ 系数柱状图 $k{=}0$1 $k{=}1$6 $k{=}2$10 $k{=}3$4
例:$P_6$ 上有 $\binom{7-k}{k}$ 个大小为 $k$ 的独立集,故 $i_k = \binom{7-k}{k}$。柱子先涨后跌,单峰。

问题为何难? 对路径、星、毛毛虫等特殊树,单峰性已知。但对一般树, 没人找出过反例(Reynolds 2026 验到 $n \le 29$,即 $8.69 \times 10^9$ 棵树),也没人证出过。问题已经开放 40 年。

对照一下:图的独立多项式可能不单峰(Alavi–Malde–Schwenk–Erdős 1987 给出了反例)。 问题 #993 恰是 Erdős 等人提出的:树这种最简单的图类里,是否能挽救单峰性?

目标

#993 — 所有树的独立多项式都是单峰的
已开放 40 年。Reynolds 2026 验证至 $n \le 29$(86.9 亿棵树)。

规约路径(Reynolds 2026 框架 + 本项目工作)

路径 1 — 叶子归纳的联合猜想 $P'(n)$

若对任意顶点数 $\le n$ 的树 $T$,IP 单峰,且移除任意叶子后众数移动 $\le 1$,则 #993$(n+1)$ 成立。

  • 桥引理 2.16(Reynolds):众数距离 $\le 1$ 的单峰序列之和仍单峰
  • $d = 2$ 情形:定理 2(本工作)—— 众数差 $\le 2$,由桥引理收紧
  • $d \ge 3$ 且差 $\le 2$:由桥引理直接得
  • $d \ge 3$ 且差 $\ge 3$:缺少质量比子引理

路径 2 — ECMS(边收缩平均位移,Reynolds 猜想 4.3)

对任意树 $T$ 和边 $e$:$|\mu(T) - \mu(T/e)| < 1$,其中 $\mu(T) = I'(T;1)/I(T;1)$ 是独立集大小的期望。

  • 局部项 $\in (0, 1/2)$:已证
  • 距离 1 项 $|S_1| < 0.355$:Reynolds 命题 4.6
  • 距离 $\ge 2$ 项 $< 0.145$:相关衰减部分仍开放
  • 本项目经验验证:10 亿+ 条边

路径 3 — 猜想 A($d_{\text{leaf}} \le 1$ 时众数 $\le \lfloor n/3 \rfloor + 1$)

对每个顶点至多有一个叶邻居的树,众数有上界。

  • 均值上界 $\mu(T) < n/3$:Reynolds 推论 3.14
  • 猜想 3.6(众数 $\le \lceil \mu \rceil$):对非对数凹树仍开放
  • 本项目验证:170 万+ 棵树,零反例

基础瓶颈 —— 单点删除位移界

对任意树 $T$ 和顶点 $w$:$|\mu(T) - \mu(T \setminus w)| < 1$。

注:以上几条路径在去叶子化、相关衰减等步骤里都会最终规约到这条基础瓶颈。

  • 经验:11 亿+ 对验证,最大值约 0.6–0.7
  • "$\le 1/2$ via FKG" —— 本次被 $K_{1,5}$ 叶子删除 = $0.513$ 反驳
  • 朴素相关衰减对最大度 $\ge 3$ 发散,需要更精细的分析

本 session 发现的副猜想

Lobster 对数凹猜想
每棵 lobster 树(距脊路径 $\le 2$ 的树)的独立多项式都对数凹。
验证:21.5 万棵 lobster,100% 对数凹。其中 36% 是对数凹但非实根,所以这个猜想超出了 Wang-Zhu / Bencs 实根技术能处理的范围。
Lobster $k_{ij} \le 1 \Rightarrow$ 实根
本次被反驳。反例:$K_{1,3}$ 的 IP $= (1+x)^3 + x = 1 + 4x + 3x^2 + x^3$,对数凹但只有 1 个实根(判别式 $= -31$)。
$\mu$ 位移符号 × 最小度模式
对边 $(u,v)$ 的收缩,$\mu(T) - \mu(T/e)$ 的符号由 $\min(\deg(u), \deg(v))$ 决定: 最小度 $\le 2 \Rightarrow$ 恒为正(1.5 亿+ 验证);最小度 $\ge 7 \Rightarrow$ 恒为负。
$f$ 多项式单峰性
恒等式里的 $f = P_u + P_v - P_{uv}$ 总是单峰的。170 万+ 条边验证。
$|\Delta\mu| \le 0.53$(更紧)
比 Reynolds 的 $< 1$ 更紧的实验上界。8500 万+ 条边支撑。

本 session 已严格证明(仅代数)

本 session 被反驳 / 撤回

实验规模

猜想验证规模
顶点删除 $|\Delta\mu| < 1$11 亿+
ECMS $|\Delta\mu_{\text{contract}}| < 1$10 亿+
联合猜想 $P'(n)$3.76 亿+
$\mu$ 位移符号 × 最小度1.5 亿+
Lobster 对数凹21.5 万
猜想 3.6(众数 - 均值)170 万+
$f$ 多项式单峰170 万+
原子检查总数约 25 亿