Хроматический полином
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Chromatic_polynomial_of_all_3-vertex_graphs_BW.png/250px-Chromatic_polynomial_of_all_3-vertex_graphs_BW.png)
Хроматический полином — полином-график , изучаемый в алгебраической теории графов , разделе математики . Он подсчитывает количество раскрасок графа как функцию количества цветов и был первоначально определен Джорджем Дэвидом Биркгофом для изучения проблемы четырех цветов . Он был обобщен до полинома Тутта Хасслером Уитни и У. Таттом , связав его с моделью Поттса статистической физики .
История [ править ]
Джордж Дэвид Биркгоф ввел хроматический полином в 1912 году, определив его только для плоских графов , в попытке доказать теорему о четырёх цветах . Если обозначает количество правильных раскрасок G в k цветов, то можно было бы установить теорему о четырех цветах, показав для всех планарных графов G . Таким образом он надеялся применить мощные инструменты анализа и алгебры для изучения корней многочленов к задаче комбинаторной раскраски.
Хасслер Уитни обобщил полином Биркгофа с плоского случая на общие графы в 1932 году. В 1968 году Рональд К. Рид спросил, какие полиномы являются хроматическими полиномами некоторого графа (вопрос, который остается открытым), и ввел концепцию хроматически эквивалентных графов. [1] Сегодня хроматические полиномы являются одним из центральных объектов алгебраической теории графов . [2]
Определение [ править ]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1e/Chromatic_polynomial_of_all_3-vertex_graphs_BW_with_colorings.png/300px-Chromatic_polynomial_of_all_3-vertex_graphs_BW_with_colorings.png)
графа G Для подсчитывает количество своих (собственных) вершин k -раскрасок . Другие часто используемые обозначения включают , , или . Существует уникальный многочлен значение которого для любого целого числа k ≥ 0 совпадает с ; называется хроматическим полиномом G он .
Например, чтобы раскрасить граф пути на 3 вершинах с k цветами можно выбрать любой из k цветов для первой вершины, любой из оставшиеся цвета для второй вершины и, наконец, для третьей вершины, любой из цвета, которые отличаются от выбора второй вершины. Поэтому, — количество k -раскрасок . Таким образом, для переменной x (не обязательно целой) мы имеем . (Раскраски, которые отличаются только перестановкой цветов или автоморфизмами G, по -прежнему считаются разными.)
Удаление-сокращение [ править ]
Тот факт, что число k -раскрасок является полиномом от k, следует из рекуррентного соотношения, называемого рекуррентностью удаления-сокращения или фундаментальной теоремой редукции . [3] Он основан на сжатии ребер : для пары вершин и график получается путем слияния двух вершин и удаления ребер между ними. Если и смежны в G , пусть обозначим граф, полученный удалением ребра . Тогда числа k -раскрасок этих графов удовлетворяют:
Эквивалентно, если и не смежны в G и это граф с ребром добавил, тогда
Это следует из наблюдения, что каждая k -раскраска G либо придает разные цвета и , или тех же цветов. В первом случае это дает (правильную) k -раскраску , а во втором случае дает раскраску . И наоборот, каждая k -раскраска группы G может быть однозначно получена из k -раскраски группы G. или (если и не смежны в G ).
Таким образом, хроматический полином можно рекурсивно определить как
- для графа без ребер на n вершинах и
- для графа G с ребром (выбирается произвольно).
Поскольку число k -раскрасок графа без ребер действительно равно , то индукцией по числу ребер следует, что для всех G многочлен совпадает с количеством k -раскрасок в каждой целой точке x = k . В частности, хроматический полином — это единственный интерполяционный полином степени не выше n через точки
Любопытство Тутте по поводу того, какие другие инварианты графа удовлетворяют таким повторениям, привело его к открытию двумерного обобщения хроматического многочлена — многочлена Тутте . .
Примеры [ править ]
Треугольник | |
Полный график | |
Безграничный граф | |
Граф пути | |
Любое дерево на n вершинах | |
Цикл | |
график Петерсена |
Свойства [ править ]
Для фиксированного G на n вершинах хроматический полином — монический многочлен степени ровно n с целыми коэффициентами.
Хроматический полином включает в себя по крайней мере столько же информации о раскрашиваемости G , сколько и хроматическое число. Действительно, хроматическое число — это наименьшее целое положительное число, не являющееся нулем хроматического многочлена.
Полином, оцененный в , то есть , дает числа ациклических ориентаций G раз больше . [4]
Производная, оцененная в 1, равен хроматическому инварианту до подписи.
Если G имеет n вершин и c компонентов , затем
- Коэффициенты являются нулями.
- Коэффициенты все ненулевые и чередуются по знаку.
- Коэффициент равен 1 (многочлен является моническим ).
- Коэффициент является
Мы докажем это индукцией по числу ребер простого графа G с вершины и края. Когда , G — пустой граф. Следовательно, по определению . Таким образом, коэффициент является , что означает, что утверждение верно для пустого графа. Когда , как и в G , имеет только одно ребро, . Таким образом, коэффициент является . Таким образом, утверждение справедливо для k = 1. Используя сильную индукцию, предположим, что утверждение верно для . Пусть G имеет края. По принципу сокращения-удаления ,
Позволять и
Следовательно .
С получается из G удалением всего лишь одного ребра e , , так и, следовательно, утверждение верно для k .
- Коэффициент является умноженное на количество ациклических ориентаций, имеющих уникальный сток в указанной, произвольно выбранной вершине. [5]
- Абсолютные значения коэффициентов каждого хроматического полинома образуют логарифмически вогнутую последовательность . [6]
Последнее свойство обобщается тем фактом, что если G является k -кликовой суммой и (т. е. граф, полученный склейкой двух клик по k вершинам), то
Граф G с n вершинами является деревом тогда и только тогда, когда
Хроматическая эквивалентность [ править ]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/74/Chromatically_equivalent_graphs.svg/250px-Chromatically_equivalent_graphs.svg.png)
Два графа называются хроматически эквивалентными , если они имеют одинаковый хроматический полином. Изоморфные графы имеют один и тот же хроматический полином, но неизоморфные графы могут быть хроматически эквивалентными. Например, все деревья с n вершинами имеют один и тот же хроматический полином. В частности, является хроматическим полиномом как графа-клешни , так и графа путей на 4 вершинах.
Граф является хроматически уникальным, если он определяется своим хроматическим полиномом с точностью до изоморфизма. Другими словами, G хроматически единственна, тогда означало бы, что G и H изоморфны. Все графы циклов хроматически уникальны. [7]
Хроматические корни [ править ]
Корень , (или ноль ) хроматического многочлена, называемый «хроматическим корнем», — это значение x где . Хроматические корни очень хорошо изучены. Фактически, первоначальная мотивация Биркгофа для определения хроматического полинома заключалась в том, чтобы показать, что для плоских графов для x ≥ 4. Это установило бы теорему о четырех цветах .
Ни один граф не может быть окрашен в 0 цветов, поэтому 0 всегда является хроматическим корнем. Только графы без ребер могут быть одноцветными, поэтому 1 — это хроматический корень каждого графа, имеющего хотя бы одно ребро. С другой стороны, за исключением этих двух точек, ни один граф не может иметь хроматический корень в вещественном числе, меньшем или равном 32/27. [8] Результат Тутте соединяет золотое сечение с изучением хроматических корней, показав, что хроматические корни существуют очень близко к : Если представляет собой плоскую триангуляцию сферы, тогда
Таким образом, хотя действительная линия имеет большие части, не содержащие хроматических корней ни для одного графа, каждая точка комплексной плоскости сколь угодно близка к хроматическому корню в том смысле, что существует бесконечное семейство графов, хроматические корни которых плотны в комплексной плоскости. . [9]
Раскраски с использованием всех цветов [ править ]
Для графа G с n вершинами пусть обозначают количество раскрасок с использованием ровно k цветов вплоть до переименования цветов (поэтому раскраски, которые можно получить друг из друга перестановкой цветов, считаются за одну; раскраски, полученные автоморфизмами G , по -прежнему считаются отдельно). Другими словами, подсчитывает количество разбиений множества вершин на k (непустые) независимые множества . Затем подсчитывает количество раскрасок, используя ровно k цветов (с различимыми цветами). Для целого числа x все x -раскраски G могут быть однозначно получены путем выбора целого числа k ≤ x , выбора k цветов для использования из доступных x и раскраски с использованием именно этих k (различимых) цветов. Поэтому:
где обозначает падающий факториал . Таким образом, числа являются коэффициентами многочлена в основе падающих факториалов.
Позволять быть k -м коэффициентом в стандартной базе , то есть:
Числа Стирлинга дают изменение базиса между стандартным базисом и базисом падающих факториалов. Из этого следует:
- и
Категоризация [ править ]
Хроматический многочлен классифицируется теорией гомологии, тесно связанной с гомологиями Хованова . [10]
Алгоритмы [ править ]
Хроматический полином | |
---|---|
Вход | Граф G с n вершинами. |
Выход | Коэффициенты |
Продолжительность | для некоторой константы |
Сложность | #P -жесткий |
Сокращение с | #3САТ |
#k-раскраски | |
---|---|
Вход | Граф G с n вершинами. |
Выход | |
Продолжительность | В P для . для . В противном случае для некоторой константы |
Сложность | #P -трудно, если только |
Аппроксимируемость | Нет FPRAS для |
Вычислительные проблемы, связанные с хроматическим полиномом, включают:
- нахождение хроматического многочлена данного графа G ;
- оценивая при фиксированном x для G. данного
Первая проблема более общая, поскольку если бы мы знали коэффициенты мы могли бы оценить его в любой момент полиномиального времени, потому что степень равна n . Сложность задач второго типа сильно зависит от значения x и интенсивно изучается в области вычислительной сложности . Когда x — натуральное число, эту задачу обычно рассматривают как вычисление количества x -раскрасок данного графа. Например, сюда входит задача #3-раскраска подсчёта количества 3-раскрасок, каноническая задача исследования сложности счёта, полная для счётного класса #P .
Эффективные алгоритмы [ править ]
Для некоторых базовых классов графов известны замкнутые формулы хроматического полинома. Например, это справедливо для деревьев и клик, как указано в таблице выше.
Известны алгоритмы полиномиального времени для вычисления хроматического полинома для более широких классов графов, включая хордальные графы. [11] и графики ограниченной кликовой ширины . [12] Последний класс включает кографы и графы ограниченной древовидной ширины , такие как внешнепланарные графы .
Удаление-сокращение [ править ]
Рекуррентность удаления -сокращения дает способ вычисления хроматического полинома, называемый алгоритмом удаления-сокращения . В первой форме (с минусом) повторение завершается набором пустых графов. Во второй форме (с плюсом) он заканчивается набором полных графов. Это составляет основу многих алгоритмов раскраски графов. Функция ChromaticPolynomial в пакете Combinatorica системы компьютерной алгебры Mathematica использует вторую рекуррентность, если граф плотный, и первую рекуррентность, если граф разреженный. [13] Время выполнения любой формулы в худшем случае удовлетворяет тому же рекуррентному соотношению, что и числа Фибоначчи , поэтому в худшем случае алгоритм выполняется во времени в пределах полиномиального коэффициента
на графе с n вершинами и m ребрами. [14] Анализ можно улучшить с точностью до полиномиального коэффициента числа остовных деревьев входного графа. [15] На практике, ветвей и границ чтобы избежать некоторых рекурсивных вызовов, используются стратегии и отказ от изоморфизма графа. Время выполнения зависит от эвристики, используемой для выбора пары вершин.
Метод куба [ править ]
Существует естественный геометрический взгляд на раскраски графов, если заметить, что при присвоении каждой вершине натуральных чисел раскраска графа представляет собой вектор в целочисленной решетке. Поскольку две вершины и получение одного и того же цвета эквивалентно 'й и '-я координата в векторе раскраски равна, каждому ребру можно сопоставить гиперплоскость вида . Совокупность таких гиперплоскостей данного графа называется его графической компоновкой . Правильные раскраски графа — это те точки решетки, которые избегают запрещенных гиперплоскостей. Ограничиваясь набором цвета, точки решетки содержатся в кубе . В этом контексте хроматический полином подсчитывает количество точек решетки в -куб, избегающий графического расположения.
Вычислительная сложность [ править ]
Задача вычисления количества 3-раскрасок данного графа является каноническим примером #P -полной задачи, поэтому задача вычисления коэффициентов хроматического полинома является #P-трудной. Аналогично, оценивая для данного G #P-полна. С другой стороны, для это легко вычислить , поэтому соответствующие задачи вычислимы за полиномиальное время. Для целых чисел проблема #P-hard, которая устанавливается аналогично случаю . На самом деле известно, что является #P-сложным для всех x (включая отрицательные целые числа и даже все комплексные числа ), за исключением трех «простых точек». [16] Таким образом, с точки зрения #P-трудности полностью понятна сложность вычисления хроматического полинома.
В расширении
коэффициент всегда равен 1, и известны некоторые другие свойства коэффициентов. В связи с этим возникает вопрос, легко ли вычислить некоторые коэффициенты. Однако вычислительная задача вычисления a r для фиксированного r ≥ 1 и заданного графа G является #P-сложной даже для двудольных плоских графов. [17]
Никаких аппроксимирующих алгоритмов для вычислений известны для любого x, кроме трех простых точек. В целочисленных точках соответствующая проблема принятия решения о том, может ли данный граф быть k -цветным, является NP-трудной . Такие задачи не могут быть аппроксимированы каким-либо мультипликативным коэффициентом с помощью вероятностного алгоритма с ограниченной ошибкой, если только NP = RP, поскольку любое мультипликативное приближение будет различать значения 0 и 1, эффективно решая версию решения за вероятностное полиномиальное время с ограниченной ошибкой. В частности, при том же предположении это исключает возможность полностью полиномиальной схемы рандомизированной аппроксимации (FPRAS) . нет FPRAS Для вычислений для любого x > 2, если только не выполняется NP = RP . [18]
Примечания [ править ]
- ^ Читать (1968)
- ^ Несколько глав Биггс (1993)
- ^ Донг, Ко и Тео (2005)
- ^ Стэнли (1973)
- ^ Эллис-Монаган и Мерино (2011)
- ^ Ха (2012)
- ^ Чао и Уайтхед (1978)
- ^ Джексон (1993)
- ^ Сокаль (2004)
- ^ Хельме-Гизон и Ронг (2005)
- ^ Наор, Наор и Шаффер (1987) .
- ^ Гименес, Хлинены и Ной (2005) ; По данным Маковского и др. (2006 )
- ^ Пеммараджу и Скиена (2003)
- ^ Уилф (1986)
- ^ Секине, Имаи и Тани (1995)
- ^ Jaeger, Vertigan & Welsh (1990) , на основе сокращения ( Linial 1986 ).
- ^ Оксли и Уэлш (2002)
- ^ Голдберг и Джеррум (2008)
Ссылки [ править ]
- Биггс, Н. (1993), Алгебраическая теория графов , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-45897-9
- Чао, Южная Корея; Уайтхед, Э.Г. (1978), «О хроматической эквивалентности графов», Теория и приложения графов , Конспекты лекций по математике, том. 642, Спрингер, стр. 121–131, ISBN. 978-3-540-08666-6
- Донг, FM; Кох, КМ; Тео, К.Л. (2005), Хроматические полиномы и цветность графов , World Scientific Publishing Company, ISBN 978-981-256-317-0
- Эллис-Монаган, Джоанна А .; Мерино, Криэль (2011), «Полиномы в графах и их приложения I: Полином Тутте», в Демере, Маттиасе (ред.), Структурный анализ сложных сетей , arXiv : 0803.3079 , doi : 10.1007/978-0-8176-4789 -6_9 , ISBN 978-0-8176-4789-6 , S2CID 585250
- Хименес, О.; Хлинены, П.; Ной, М. (2005), «Вычисление полинома Тутте на графах ограниченной ширины клики», Proc. 31-й Международный. Воркш. Теоретико-графовые концепции в информатике (WG 2005) , Конспекты лекций по информатике, том. 3787, Springer-Verlag, стр. 59–68, CiteSeerX 10.1.1.353.6385 , doi : 10.1007/11604686_6 , ISBN 978-3-540-31000-6
- Голдберг, Луизиана ; Джеррам, М. (2008), «Неприближаемость полинома Тутта», Information and Computation , 206 (7): 908, arXiv : cs/0605140 , doi : 10.1016/j.ic.2008.04.003 , S2CID 53304001
- Хельме-Гизон, Лора; Ронг, Юнву (2005), «Категорификация хроматического полинома», Algebraic & Geometric Topology , 5 (4): 1365–1388, arXiv : math/0412264 , doi : 10.2140/agt.2005.5.1365 , S2CID 1339633
- Ха, июнь (2012 г.), «Числа Милнора проективных гиперповерхностей и хроматический полином графов», Журнал Американского математического общества , 25 (3): 907–927, arXiv : 1008.4749 , doi : 10.1090/S0894-0347-2012 -00731-0 , МР 2904577 , С2КИД 13523955
- Джексон, Б. (1993), «Интервал без нуля для хроматических полиномов графов», Combinatorics, Probability and Computing , 2 (3): 325–336, doi : 10.1017/S0963548300000705 , S2CID 39978844
- Джагер, Ф.; Вертиган, ДЛ; Уэлш, DJA (1990), «О вычислительной сложности полиномов Джонса и Тутта», Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society , 108 (1): 35–53, Bibcode : 1990MPCPS.108...35J , doi : 10.1017 /S0305004100068936 , S2CID 121454726
- Линиал, Н. (1986), «Трудные задачи перечисления в геометрии и комбинаторике», SIAM J. Algebr. Дискретные методы , 7 (2): 331–335, doi : 10.1137/0607036.
- Маковский, Дж. А.; Ротикс, У.; Авербуш, И.; Годлин, Б. (2006), «Вычисление полиномов графа на графах ограниченной ширины клики», Proc. 32-й Международный Воркш. Теоретико-графовые концепции в информатике (WG 2006) , Конспекты лекций по информатике, том. 4271, Springer-Verlag, стр. 191–204, CiteSeerX 10.1.1.76.2320 , doi : 10.1007/11917496_18 , ISBN 978-3-540-48381-6
- Наор, Дж.; Наор, М.; Шаффер, А. (1987), "Быстрые параллельные алгоритмы для хордальных графов", Proc. 19-й симпозиум ACM. Теория вычислений (STOC '87) , стр. 355–364, doi : 10.1145/28395.28433 , ISBN 978-0897912211 , S2CID 12132229 .
- Оксли, Дж. Г.; Уэлш, DJA (2002), «Хроматические полиномы, полиномы потока и надежности: сложность их коэффициентов», Combinatorics, Probability and Computing , 11 (4): 403–426, doi : 10.1017/S0963548302005175 , S2CID 14918970
- Пеммараджу, С.; Скиена, С. (2003), Вычислительная дискретная математика: комбинаторика и теория графов с Mathematica , Cambridge University Press, раздел 7.4.2, ISBN 978-0-521-80686-2
- Рид, RC (1968), «Введение в хроматические полиномы» (PDF) , Журнал комбинаторной теории , 4 : 52–71, doi : 10.1016/S0021-9800(68)80087-0
- Секине, Кёко; Имаи, Хироши; Тани, Сейитиро (1995), «Вычисление полинома Тутте для графика среднего размера», в Стейплс, Джон; Идс, Питер; Като, Наоки; Моффат, Алистер (ред.), «Алгоритмы и вычисления», 6-й Международный симпозиум, ISAAC '95, Кэрнс, Австралия, 4–6 декабря 1995 г., Труды , конспекты лекций по информатике, том. 1004, Springer, стр. 224–233, doi : 10.1007/BFb0015427 , ISBN. 978-3-540-60573-7
- Сокал, А.Д. (2004), «Хроматические корни плотны во всей комплексной плоскости», Combinatorics, Probability and Computing , 13 (2): 221–261, arXiv : cond-mat/0012369 , doi : 10.1017/S0963548303006023 , S2CID 5549332
- Стэнли, Р.П. (1973), «Ациклические ориентации графов» (PDF) , Discrete Math. , 5 (2): 171–178, doi : 10.1016/0012-365X(73)90108-8
- Волошин, Виталий И. (2002), Раскраска смешанных гиперграфов: теория, алгоритмы и приложения. , Американское математическое общество, ISBN 978-0-8218-2812-0
- Уилф, HS (1986), Алгоритмы и сложность , Прентис-Холл, ISBN 978-0-13-021973-2
Внешние ссылки [ править ]
- Вайсштейн, Эрик В. , «Хроматический полином» , MathWorld
- PlanetMath. Хроматический полином Архивировано 20 августа 2008 г. в Wayback Machine.
- Код для вычисления полиномов Тутте, хроматических и потоковых полиномов Гэри Хаггарда, Дэвида Дж. Пирса и Гордона Ройла: [1]