Jump to content

Лемма о рукопожатии

Это хорошая статья. Нажмите здесь для получения дополнительной информации.

В этом графе четное количество вершин (четыре вершины с номерами 2, 4, 5 и 6) имеют нечетные степени. Сумма степеней всех шести вершин равна 2 + 3 + 2 + 3 + 3 + 1 = 14 , что вдвое больше количества ребер.

В теории графов , разделе математики, лемма о рукопожатии — это утверждение, что в каждом конечном неориентированном графе число вершин, соприкасающихся с нечетным числом ребер, четно. Например, если есть группа людей, которые пожимают друг другу руки, число людей, которые пожимают руки нечетному числу других людей, является четным. [1] Лемма о рукопожатии является следствием формулы суммы степеней , также иногда называемой леммой о рукопожатии: [2] согласно которому сумма степеней ( количества касаний каждой вершины) равна удвоенному количеству ребер в графе. Оба результата были доказаны Леонардом Эйлером ( 1736 ) в его знаменитой статье о семи мостах Кенигсберга, положившей начало изучению теории графов. [3]

Помимо проблемы семи мостов Кенигсберга, которая впоследствии формализовала эйлеровы туры , другие применения формулы суммы степеней включают доказательства определенных комбинаторных структур. Например, при доказательстве леммы Спернера и задачи о восхождении на гору обычно возникают геометрические свойства формулы. Класс сложности PPA инкапсулирует сложность поиска второй нечетной вершины при наличии одной такой вершины в большом неявно определенном графе .

Определения и утверждения [ править ]

Неориентированный граф состоит из системы вершин и ребер , соединяющих неупорядоченные пары вершин. В любом графе степень вершины определяется как количество ребер, имеющих как конечная точка. Для графов, которым разрешено содержать петли, соединяющие вершину с самой собой, цикл следует считать вносящим две единицы в степень его конечной точки для целей леммы о согласовании. [2] Тогда лемма о рукопожатии утверждает, что в каждом конечном графе должно существовать четное число вершин, для которых является нечетным числом. [1] Вершины нечетной степени в графе иногда называют нечетными узлами (или нечетными вершинами ); [4] В этой терминологии лемму о согласовании можно перефразировать как утверждение, что каждый граф имеет четное количество нечетных узлов. [4] [5]

Формула суммы степеней гласит, что

где - это набор узлов (или вершин) в графе и — множество ребер графа. То есть сумма степеней вершин равна удвоенному количеству ребер. [6] В ориентированных графах другая форма формулы суммы степеней гласит, что сумма входящих степеней всех вершин и сумма исходящих степеней равны количеству ребер. Здесь входная степень — это количество входящих ребер, а исходящая степень — это количество исходящих ребер. [7] Версия формулы суммы степеней также применима к конечным семействам множеств или, что то же самое, мультиграфам : сумма степеней элементов (где степень равна количеству содержащих его множеств) всегда равна сумме мощностей множеств. . [8]

Оба результата применимы также к любому подграфу данного графа и, в частности, к его связным компонентам . Следствием этого является то, что для любой нечетной вершины должен существовать путь, соединяющий ее с другой нечетной вершиной. [9]

Приложения [ править ]

Пути и туры Эйлера [ править ]

Схематический вид семи мостов Кенигсберга.
Граф с вершинами для каждого участка суши и ребром для каждого моста

Леонард Эйлер впервые доказал лемму о рукопожатии в своей работе о семи мостах Кенигсберга , предложив совершить пешеходную экскурсию по городу Кенигсбергу (ныне Калининград ), пересекая каждый из семи его мостов один раз. Это можно перевести в термины теории графов как поиск эйлерова пути или эйлерова обхода связного графа, представляющего город и его мосты: обход графа, который пересекает каждое ребро один раз и заканчивается в вершине, отличной от той, в которой он начинается в в случае эйлерова пути или возвращение к исходной точке в случае эйлерова обхода. Эйлер сформулировал фундаментальные результаты для этой проблемы с точки зрения количества нечетных вершин в графе, которое лемма о установлении связи ограничивает четным числом. Если это число равно нулю, существует эйлеров путь, а если оно равно двум, существует эйлеров путь. В противном случае проблему невозможно решить. В случае «Семи мостов Кенигсберга» граф, представляющий задачу, имеет четыре нечетные вершины и не имеет ни эйлерова пути, ни эйлерова обхода. [3] Поэтому было невозможно обойти все семь мостов Кенигсберга, не повторив мост.

В алгоритме Христофидеса–Сердюкова аппроксимации задачи коммивояжера геометрические следствия формулы суммы степеней играют жизненно важную роль, позволяя алгоритму соединять вершины попарно, чтобы построить граф, на котором эйлеров тур образует приближенный тур TSP. . [10]

Комбинаторное перечисление [ править ]

Можно показать, что несколько комбинаторных структур четны по количеству, связав их с нечетными вершинами в соответствующем «графе обмена». [11]

Например, как доказал К.Э.Б. Смит , в любом кубическом графе должно пройти четное количество гамильтоновых циклов через любое фиксированное ребро ; это циклы, которые проходят через каждую вершину ровно один раз. Томасон (1978) использовал доказательство, основанное на лемме о согласовании, чтобы распространить этот результат на графы, в которых все вершины имеют нечетную степень. Томасон определяет граф обмена , вершины которого находятся во взаимно однозначном соответствии с гамильтоновыми путями в начиная с и продолжаем через край . Два таких пути и определяются как соединенные ребром в если можно получить добавив новое ребро в конец и удаляем еще один край из середины . Эта операция обратима, образуя симметричное отношение , поэтому является неориентированным графом. Если путь заканчивается в вершине , то вершина, соответствующая в имеет степень, равную числу способов, которыми может быть продлен ребром, который не соединяется обратно с ; то есть степень этой вершины в либо (четное число), если не входит в гамильтонов цикл через , или (нечетное число), если является частью гамильтонова цикла через . С имеет четное количество нечетных вершин, должно иметь четное число гамильтоновых циклов через . [12]

Другие приложения [ править ]

Лемма о рукопожатии (или формула суммы степеней) также используется в доказательстве ряда других результатов в математике. К ним относятся следующие:

Раскраска Спернера треугольного треугольника, затененная, чтобы выделить три маленьких треугольника, которые имеют все три цвета вершин.
  • Лемма Спернера гласит, что если большой треугольник разделить на меньшие треугольники, соединяющиеся ребром к краю, и вершины помечены тремя цветами так, что вдоль каждого края большого треугольника используются только два цвета, то по крайней мере один треугольников меньшего размера имеет вершины всех трех цветов; он имеет приложения в теоремах о неподвижной точке , алгоритмах поиска корней и справедливом делении . Одним из доказательств этой леммы является граф обмена, вершинами которого являются треугольники (как маленькие, так и большие), а ребра соединяют пары треугольников, которые имеют две общие вершины некоторых двух цветов. В этом графе обмена большой треугольник обязательно имеет нечетную степень, как и маленький треугольник всех трех цветов, но не другие маленькие треугольники. По лемме о рукопожатии должно быть нечетное количество маленьких треугольников всех трех цветов, и, следовательно, должен существовать хотя бы один такой треугольник. [13]
Проблема альпинизма
  • утверждает Задача альпинизма , что для достаточно хорошо ведущих себя функций на единичном интервале с равными значениями на концах интервала можно скоординировать движение двух точек, начиная с противоположных концов интервала, так, что они встречаются где-то посередине, оставаясь в точках равной ценности на протяжении всего движения. Одно из доказательств этого включает в себя аппроксимацию функции кусочно-линейной функцией с одинаковыми крайними точками, параметризацию положения двух движущихся точек координатами одной точки в единичном квадрате и показ того, что доступные положения для двух точек образуют конечный граф, вложенный в этот квадрат, имеющий только начальную позицию и ее обращение в качестве нечетных вершин. По лемме о квитировании эти две позиции принадлежат одной и той же связной компоненте графа, и путь от одной к другой обязательно проходит через искомую точку встречи. [14]
  • Гипотеза реконструкции касается проблемы однозначного определения структуры графа из мультимножества подграфов, образованного удалением из него единственной вершины. Учитывая эту информацию, формулу суммы степеней можно использовать для восстановления количества ребер в данном графе и степеней каждой вершины. Отсюда можно определить, является ли данный граф регулярным графом , и если да, то определить его однозначно из любого подграфа, удаленного по вершинам, путем добавления нового соседа для всех вершин подграфа слишком низкой степени. Следовательно, все регулярные графы можно восстановить. [15]
  • В игре « Гекс» участвуют два игрока, которые размещают фигуры своего цвета на мозаике параллелограмма доски в форме шестиугольниками до тех пор, пока у одного игрока не будет соединенный путь соседних фигур от одной стороны доски к другой. Она никогда не может закончиться вничью: к тому времени, как доска полностью заполнится фигурами, у одного из игроков будет сформирован выигрышный путь. Одним из доказательств этого является граф из заполненного игрового поля с вершинами в углах шестиугольников и ребрами на сторонах шестиугольников, разделяющими цвета двух игроков. Этот граф имеет четыре нечетные вершины в углах доски и четные вершины в других местах, поэтому он должен содержать путь, соединяющий два угла, который обязательно имеет выигрышный путь для одного игрока на одной из своих сторон. [16]

Доказательство [ править ]

Доказательство Эйлера формулы суммы степеней использует технику двойного счета : он подсчитывает количество инцидентных пар. где это ребро и вершина является одной из его конечных точек двумя разными способами. Вертекс принадлежит пары, где (степень ) — число инцидентных ему ребер. Следовательно, количество инцидентных пар есть сумма степеней. Однако каждое ребро графа принадлежит ровно двум инцидентным парам, по одному на каждую из его конечных точек; следовательно, число инцидентных пар равно . Поскольку эти две формулы учитывают один и тот же набор объектов, они должны иметь равные значения. То же доказательство можно интерпретировать как суммирование элементов матрицы инцидентности графа двумя способами: по строкам, чтобы получить сумму степеней, и по столбцам, чтобы получить удвоенное количество ребер. [5]

Для графов лемма о согласовании является следствием формулы суммы степеней. [8] В сумме целых чисел на четность суммы не влияют четные члены суммы; общая сумма четна, если имеется четное количество нечетных членов, и нечетна, если имеется нечетное количество нечетных членов. Поскольку одна часть формулы суммы степеней представляет собой четное число , сумма на другой стороне должна иметь четное количество нечетных членов; то есть должно быть четное число вершин нечетной степени. [5]

В качестве альтернативы можно использовать математическую индукцию для доказательства формулы суммы степеней: [2] или напрямую доказать, что количество вершин нечетной степени четно, удаляя по одному ребру за раз из данного графа и используя анализ случаев степеней его конечных точек, чтобы определить влияние этого удаления на четность числа вершин нечетной степени. [17]

В специальных классах графов [ править ]

Граф Клебша , регулярный пятой степени, имеет четное число вершин (16) и число ребер (40), кратное пяти.
Ромбический додекаэдр двуправильный , с шестью вершинами четвертой степени и восемью вершинами третьей степени; 6 × 4 = 8 × 3 = 24 — количество ребер.

Обычные графики [ править ]

Формула суммы степеней подразумевает, что каждый - обычный график с вершин имеет края. [18] Поскольку количество ребер должно быть целым числом, отсюда следует, что когда нечетно, количество вершин должно быть четным. [19] Кроме того, для нечетных значений , количество ребер должно делиться на . [20]

Двудольные и двурегулярные графы [ править ]

В двудольном графе вершины разделены на два подмножества, причем каждое ребро имеет одну конечную точку в каждом подмножестве. Из того же рассуждения о двойном подсчете следует, что в каждом подмножестве сумма степеней равна числу ребер в графе. В частности, оба подмножества имеют равные суммы степеней. [21] Для бирегулярных графов с разбиением вершин на подмножества и с каждой вершиной в подмножестве имеющий степень , должно быть так, что ; оба равны количеству ребер. [22]

Бесконечные графики [ править ]

Бесконечный граф только с одной нечетной вершиной

Лемма о рукопожатии не применима в своей обычной форме к бесконечным графам, даже если они имеют только конечное число вершин нечетной степени. Например, бесконечный граф путей с одной конечной точкой имеет только одну вершину нечетной степени, а не четное количество таких вершин. Однако можно сформулировать версию леммы о согласовании, используя понятие конца , класса эквивалентности полубесконечных путей («лучей»), рассматривающих два луча как эквивалентные, когда существует третий луч, который использует бесконечно много вершин из каждый из них. Степень конца — это максимальное количество содержащихся в нем лучей, не пересекающихся по краям, и конец является нечетным, если его степень конечна и нечетна. В более общем смысле, можно определить конец как нечетный или четный, независимо от того, имеет ли он бесконечную степень, в графах, все вершины которых имеют конечную степень. Тогда в таких графах число нечетных вершин и нечетных концов, сложенных вместе, либо четное, либо бесконечное. [23]

Подграфы [ править ]

По теореме Галлаи вершины любого графа можно разложить как где имеет все степени четные и имеет все степени нечетные с даже по лемме о рукопожатии. В 1994 году Яир Каро [24] доказал, что а в 2021 году препринт Фербера Асафа и Михаила Кривелевича показал, что . [25] [26]

Вычислительная сложность [ править ]

В связи с методом графа обмена для доказательства существования комбинаторных структур представляет интерес вопрос, насколько эффективно можно найти эти структуры. Например, предположим, что в качестве входных данных задан гамильтонов цикл в кубическом графе; из теоремы Смита следует, что существует второй цикл. Как быстро можно найти этот второй цикл? Пападимитриу (1994) исследовал вычислительную сложность подобных вопросов или, в более общем смысле, поиска второй вершины нечетной степени, когда задана единственная нечетная вершина в большом неявно определенном графе . Он определил класс сложности PPA для инкапсуляции таких проблем, как эта; [27] тесно связанный класс, определенный на ориентированных графах, PPAD , привлек значительное внимание в алгоритмической теории игр , поскольку вычисление равновесия Нэша вычислительно эквивалентно самым сложным задачам этого класса. [28]

Вычислительные задачи, которые оказались полными для класса сложности PPA, включают вычислительные задачи, связанные с леммой Спернера. [29] и к справедливому разделению ресурсов согласно теореме Хобби-Райса . [30]

Примечания [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хейн, Джеймс Л. (2015), «Пример 3: Проблема установления связи» , Дискретные структуры, логика и вычислимость , Jones & Bartlett Publishers, стр. 703, ISBN  9781284070408
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Гундерсон, Дэвид С. (2014), Справочник по математической индукции: теория и приложения , CRC Press, стр. 240, ISBN  9781420093650
  3. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эйлер, Л. (1736), «Решение проблемы, связанной с геометрией объекта» (PDF) , Commentarii Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitana , 8 : 128–140 . Перепечатано и переведено на Биггс, Нидерланды ; Ллойд, ЕК; Уилсон, Р.Дж. (1976), Теория графов 1736–1936 , Oxford University Press
  4. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хиггинс, Питер М. (1998), Математика для любознательных , Oxford University Press, стр. 201, ISBN  9780192880727
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Биггс, Норман Л. (2002), «15.3: Степень» , Дискретная математика , Oxford University Press, стр. 181–182, ISBN  9780198507178
  6. ^ Уэст, Дуглас Б. (1996), «1.3.3. Теорема. (Формула суммы степеней)», Введение в теорию графов (2-е изд.), Прентис Холл, стр. 26, ISBN  9780132278287
  7. ^ Лоер, Николас (2011), «3.31. Теорема: формула суммы степеней для орграфов» , Биективная комбинаторика , CRC Press, стр. 106, ISBN  9781439848869
  8. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Юкна, Стасис (2011), «Предложение 1.7», Экстремальная комбинаторика , Тексты по теоретической информатике. Серия EATCS, Springer, стр. 9, номер домена : 10.1007/978-3-642-17364-6 , ISBN  978-3-642-17363-9
  9. ^ Рэй, Сантану Саха (2012), «Теорема 2.2», Теория графов с алгоритмами и ее приложения в прикладной науке и технологиях , Springer, стр. 16, ISBN  9788132207504
  10. ^ Кристофидес, Никос (1976), Анализ наихудшего случая новой эвристики для задачи коммивояжера (PDF) , Отчет 388, Высшая школа промышленного управления, CMU, заархивировано (PDF) из оригинала 21 июля 2019 г. Лемма о рукопожатии приведена вверху страницы 2.
  11. ^ Кэмерон, Кэти; Эдмондс, Джек (1999), «Некоторые графические использования четного числа нечетных узлов» , Annales de l'Institut Fourier , 49 (3): 815–827, doi : 10.5802/aif.1694 , MR   1703426
  12. ^ Томасон, А.Г. (1978), «Гамильтоновы циклы и графы, раскрашиваемые однозначно по краям», Достижения в теории графов (Кембриджская комбинаторная конференция, Тринити-колледж, Кембридж, 1977) , Анналы дискретной математики, том. 3, стр. 259–268, doi : 10.1016/S0167-5060(08)70511-9 , MR   0499124
  13. ^ Айгнер, Мартин ; Циглер, Гюнтер М. (2018), «Раздел 28.6: Лемма Спернера», Доказательства из КНИГИ (6-е изд.), Берлин: Springer, стр. 203–205, doi : 10.1007/978-3-662-57265-8 , ISBN  978-3-662-57264-1 , МР   3823190
  14. ^ Гудман, Джейкоб Э .; Пах, Янош ; Ага, Чи-К. (1989), «Альпинизм, перемещение по лестнице и ширина кольца многоугольника» (PDF) , The American Mathematical Monthly , 96 (6): 494–510, doi : 10.2307/2323971 , JSTOR   2323971 , MR   0999412
  15. ^ Лаури, Йозеф; Скапеллато, Раффаэле (2016), Темы автоморфизмов и реконструкции графов , Серия лекций Лондонского математического общества, том. 432 (2-е изд.), Cambridge University Press, стр. 105–106, doi : 10.1017/CBO9781316669846 , ISBN  978-1-316-61044-2 , МР   3496604
  16. ^ Гейл, Дэвид (1979), «Игра в Hex и теорема Брауэра о неподвижной точке», The American Mathematical Monthly , 86 (10): 818–827, doi : 10.1080/00029890.1979.11994922 , JSTOR   2320146 , MR   0551501
  17. ^ Нето, Антонио Каминья Мунис (2018), Экскурсия по элементарной математике, Том III: Дискретная математика и полиномиальная алгебра , Сборники задач по математике, Springer, стр. 132 , 562 , ISBN  9783319779775
  18. ^ Олдос, Джоан М.; Уилсон, Робин Дж. (2000), «Теорема 2.2» , Графики и приложения: вводный подход , Серия по математике для студентов, Открытый университет, Springer-Verlag, стр. 44 , ISBN  978-1-85233-259-4
  19. ^ Уоллис, WD (2011), «Раздел 7.1, Введение в графики, следствие 1» , Руководство для начинающих по дискретной математике (2-е изд.), Springer, стр. 219, ISBN  9780817682866
  20. ^ Кларк, Джон; Холтон, Дерек Аллан (1995), «Проблема 1.4.6» , Первый взгляд на теорию графов , Allied Publishers, стр. 16, ISBN  9788170234630
  21. ^ Ловас, Ласло (2014), Комбинаторные задачи и упражнения (2-е изд.), Elsevier, стр. 281, ISBN  9780080933092
  22. ^ Пизански, Томаз ; Серватиус, Бриджит (2013), «2.3.4: Полурегулярные двудольные графы» , Конфигурации с графической точки зрения , Расширенные тексты Birkhäuser: Базельские учебники, Нью-Йорк: Birkhäuser/Springer, стр. 35, номер домена : 10.1007/978-0-8176-8364-1 , ISBN  978-0-8176-8363-4 , МР   2978043
  23. ^ Брюн, Хеннинг; Штейн, Майя (2007), «О конечных степенях и бесконечных циклах в локально конечных графах», Combinatorica , 27 (3): 269–291, doi : 10.1007/s00493-007-2149-0 , MR   2345811 , S2CID   8367713 ; см. предложение 15, с. 284
  24. ^ Каро, Яир (15 сентября 1994 г.). «О индуцированных подграфах нечетных степеней» . Дискретная математика . 132 (1–3): 23–28. дои : 10.1016/0012-365X(92)00563-7 .
  25. ^ Фербер, Асаф; Кривелевич, Михаил (2020). «Каждый граф содержит индуцированный подграф линейного размера со всеми нечетными степенями». arXiv : 2009.05495 ​​[ math.CO ].
  26. ^ Хоннер, Патрик (24 марта 2022 г.). «Что математическая вечеринка говорит нам о теории графов» . Журнал Кванта . Проверено 27 марта 2022 г.
  27. ^ Пападимитриу, Христос Х. (1994), «О сложности аргумента четности и других неэффективных доказательствах существования», Journal of Computer and System Sciences , 48 ​​(3): 498–532, doi : 10.1016/S0022-0000(05) )80063-7 , МР   1279412
  28. ^ Чен, Си; Дэн, Сяоте (2006), «Урегулирование сложности равновесия Нэша для двух игроков», Proc. 47-й симп. Основы информатики , стр. 261–271, doi : 10.1109/FOCS.2006.69 , S2CID   14102058 , ECCC   TR05-140.
  29. ^ Гриньи, Микеланджело (2001), «Завершение леммы Спернера для PPA», Information Processing Letters , 77 (5–6): 255–259, doi : 10.1016/S0020-0190(00)00152-6 , MR   1818525
  30. ^ Филос-Рацикас, Арис; Голдберг, Пол В. (2018), «Консенсусное сокращение вдвое является PPA-полным», в Диакониколасе, Илиасе; Кемпе, Дэвид; Хензингер, Моника (ред.), Труды 50-го ежегодного симпозиума ACM SIGACT по теории вычислений, STOC 2018, Лос-Анджелес, Калифорния, США, 25–29 июня 2018 г. , стр. 51–64, arXiv : 1711.04503 , doi : 10.1145/3188745.3188880 , S2CID   8111195
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 174e70b56da43a7c06d829a8d0ecf866__1676259300
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/17/66/174e70b56da43a7c06d829a8d0ecf866.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Handshaking lemma - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)