Lovász-Local-Lemma

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Das Lovász-Local-Lemma ist ein Hilfssatz aus der Wahrscheinlichkeitstheorie. Es verallgemeinert das Argument, dass die stochastische Unabhängigkeit von Ereignissen mit positiver Wahrscheinlichkeit eine positive Wahrscheinlichkeit für das Eintreten aller Ereignisse impliziert, auf Situationen, in denen nicht alle Ereignisse unabhängig sind. Sein Name beruht darauf, dass es lokale Eigenschaften zu einem globalen Ergebnis zusammensetzt. Es findet am häufigsten Anwendung in probabilistischen Ansätzen, um Existenzbeweise zu führen. 1975 wurde es von László Lovász und Paul Erdős bewiesen.

Aussage des Lemmas[Bearbeiten]

Allgemeine Version[Bearbeiten]

Sei \mathcal{E} = \{A_1, A_2, \dots, A_n\} eine Menge von Ereignissen über einem beliebigen Wahrscheinlichkeitsraum, so dass jedes Ereignis A_i stochastisch unabhängig von allen anderen bis auf \mathcal{E} \setminus (\{A_i\} \cup \mathcal{D}_i) für jeweils ein \mathcal{D}_i \subseteq \mathcal{E} ist.

Falls reelle Zahlen x_1, x_2, \dots, x_n \in [0,1) existieren, so dass für alle i \in \{1,2,\dots,n\} gilt:

Pr(A_i) \le x_i \prod_{A_k \in \mathcal{D}_i} (1-x_k),

so folgt: Pr(\bigcap_{i=1}^{n} \overline{A}_i) \ge \prod_{j=1}^{n} (1-x_j) > 0.


In vielen Beweisen wird der folgende symmetrische Spezialfall verwendet.

Symmetrische Version[Bearbeiten]

Sei \mathcal{E} = \{A_1, A_2, \dots, A_n\} eine Menge von Ereignissen über einem beliebigen Wahrscheinlichkeitsraum, so dass jedes Ereignis aus \mathcal{E} von höchstens d anderen Ereignissen stochastisch abhängig ist.

Falls

  1. \forall i \in \{1,2,\dots,n\} : Pr(A_i) \le p, wobei p \in [0,1],
  2. e\cdot p \cdot (d+1) \le 1,    (e eulersche Zahl)

so folgt Pr(\bigcap_{i=1}^{n} \overline{A}_i) > 0.

Anwendungsbeispiel[Bearbeiten]

Sei \mathcal{H} ein Hypergraph, so dass jede Hyperkante mindestens k Knoten enthält und sich mit höchstens 2^{k-3} weiteren Hyperkanten schneidet und k \ge 5. Dann ist \mathcal{H} 2-färbbar.

Färbe die Knoten von \mathcal{H} zunächst zufällig, unabhängig und gleichverteilt mit zwei Farben (d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein Knoten beispielsweise rot oder blau ist, beträgt jeweils \frac{1}{2}). Setze N_e := \{f \in E(\mathcal{H}) | f \cap e \neq \emptyset\} für alle Hyperkanten e \in E(\mathcal{H}): Wende nun das symmetrische Local-Lemma auf die Menge \mathcal{E} := \{A_e | e \in E(\mathcal{H})\} an. Dabei ist A_e das Ereignis, dass alle Knoten einer Kante e in der gleichen Farbe gefärbt worden sind. Zunächst ist jedes Ereignis A_e stochastisch abhängig von N_e, da sich jede Kante aus N_e per Definition mindestens einen Knoten mit e teilt. Nach Voraussetzung gilt: |N_e| \le 2^{k-3} =: d für alle Kanten e \in E(\mathcal{H}). Andererseits ist jedes Ereignis A_e stochastisch unabhängig von \{A_f | f \in E(\mathcal{H}), f \cap e = \emptyset\}, da die Knoten unabhängig voneinander gefärbt wurden. Da Pr(A_e) \le 2\left(\frac{1}{2}\right)^k = 2^{1-k} =: p ist, gilt: e\cdot p \cdot (d+1) < 1. Also ist Pr\left(\bigcap_{e \in E(\mathcal{H})} \overline{A}_e\right) > 0, das heißt: \mathcal{H} ist 2-färbbar.[1]

In einer weiteren Version des Lovász-Local-Lemmas[2] genügt die Anforderung 4\cdot p\cdot d\le 1. Mit dieser Aussage folgt die 2-Färbbarkeit auch für k\ge 3. Es gilt dann nämlich 4 \cdot p \cdot d = 4 \cdot \frac{2^{k-3}}{2^{k-1}} = 1.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Michael Molloy; Bruce Reed: Graph Colouring and the Probabilistic Method. Springer, 2002, ISBN 3540421394, S. 221-229.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Noga Alon; Joel H. Spencer. The Probabilistic Method. 3. Auflage, 2008. Seite 70
  2. Michael Molloy; Bruce Reed. Graph Colouring and the Probabilistic Method. 2002, Kapitel 4