Let $f_r(d,s_1,\ldots,s_r)$ denote the least integer $n$ such that every $n$-point set $P\subseteq\mathbb{R}^d$ admits a partition $P=P_1\cup\cdots\cup P_r$ with the property that for any choice of $s_i$-convex sets $C_i\supseteq P_i$ $(i\in[r])$ one necessarily has $\bigcap_{i=1}^r C_i\neq\emptyset$, where an $s_i$-convex set means a union of $s_i$ convex sets. A recent breakthrough by Alon and Smorodinsky establishes a general upper bound $f_r(d,s_1,\dots,s_r) = O(dr^2\log r \prod_{i=1}^r s_i\cdot \log(\prod_{i=1}^r s_i).$ Specializing to $r=2$ resolves the problem of Kalai from the 1970s. They further singled out two particularly intriguing questions: whether $f_{2}(2,s,s)$ can be improved from $O(s^2\log s)$ to $O(s)$, and whether $f_r(d,s,\ldots,s)\le Poly(r,d,s)$. We answer both in the negative by showing the exponential lower bound $f_{r}(d,s,\ldots,s)> s^{r}$ for any $r\ge 2$, $s\ge 1$ and $d\ge 2r-2$, which matches the upper bound up to a multiplicative $\log{s}$ factor for sufficiently large $s$. Our construction combines a scalloped planar configuration with a direct product of regular $s$-gon on the high-dimensional torus $(\mathbb{S}^1)^{r-2}$. Perhaps surprisingly, if we additionally require that within each block the $s_i$ convex sets are pairwise disjoint, the picture changes markedly. Let $F_r(d,s_1,\ldots,s_r)$ denote this disjoint-union variant of the extremal function. We show: (1) $F_{2}(2,s,s)=O(s\log s)$ by performing controlled planar geometric transformations and constructing an auxiliary graph whose planarity yields the upper bound; (2) when $s$ is large, $F_r(d,s,\ldots,s)$ can be bounded by $O_{r,d}(s^{(1-\frac{1}{2^{d}(d+1)})r+1})$ and $O_{d}(r^{3}\log r\cdot s^{2d+3})$, respectively. This builds on a novel connection between the geometric obstruction and hypergraph Tur\'{a}n numbers, in particular, a variant of the Erd\H{o}s box problem.


翻译:记 $f_r(d,s_1,\ldots,s_r)$ 为最小整数 $n$,使得任意 $n$ 点集 $P\subseteq\mathbb{R}^d$ 均可划分成 $P=P_1\cup\cdots\cup P_r$,并满足以下性质:对任意选取的包含 $P_i$ 的 $s_i$-凸集 $C_i$($i\in[r]$),必有 $\bigcap_{i=1}^r C_i\neq\emptyset$,其中 $s_i$-凸集指 $s_i$ 个凸集的并。Alon与Smorodinsky近期取得突破,证明了一般上界 $f_r(d,s_1,\dots,s_r) = O(dr^2\log r \prod_{i=1}^r s_i\cdot \log(\prod_{i=1}^r s_i))$。特别地,当 $r=2$ 时,该结果解决了Kalai于1970年代提出的问题。他们进一步提出两个特别引人关注的问题:$f_{2}(2,s,s)$ 能否从 $O(s^2\log s)$ 改进为 $O(s)$,以及是否成立 $f_r(d,s,\ldots,s)\le Poly(r,d,s)$。本文对这两个问题均给出否定回答,证明了对任意 $r\ge 2$、$s\ge 1$ 及 $d\ge 2r-2$,存在指数下界 $f_{r}(d,s,\ldots,s)> s^{r}$,该下界与已知上界在 $s$ 充分大时仅相差一个 $\log{s}$ 因子。我们的构造结合了扇贝状平面配置与高维环面 $(\mathbb{S}^1)^{r-2}$ 上正则 $s$ 边形的直积。值得注意的是,若额外要求每个分块中的 $s_i$ 个凸集两两不交,情况将发生显著变化。记 $F_r(d,s_1,\ldots,s_r)$ 为该不交并变体的极值函数。我们证明:(1)通过实施受控的平面几何变换并构造辅助图,利用其平面性得到上界 $F_{2}(2,s,s)=O(s\log s)$;(2)当 $s$ 充分大时,$F_r(d,s,\ldots,s)$ 可分别被 $O_{r,d}(s^{(1-\frac{1}{2^{d}(d+1)})r+1})$ 与 $O_{d}(r^{3}\log r\cdot s^{2d+3})$ 界住。这些结果基于几何障碍与超图Turán数(特别是Erdős盒问题的一个变体)之间新颖联系的建立。

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