Сглаживаемость графа
Уплощенность в некоторых -мерное нормированное векторное пространство — это свойство графов , которое гласит, что любое встраивание или рисование графа в некотором высоком измерении можно «сгладить», чтобы жить в -размерности, такие, что расстояния между парами точек, соединенных ребрами, сохраняются. График является -сглаживается, если каждая система ограничения расстояния (DCS) с поскольку его граф ограничений имеет -мерный каркас . Уплощение сначала называлось реализуемостью. [1] но имя было изменено, чтобы избежать путаницы с графиком, имеющим некоторую DCS с -мерный каркас. [2]
Уплощение связано со структурной жесткостью , тенсегрити , конфигурационными пространствами Кэли и вариантом проблемы реализации графа .
Определения
[ редактировать ]Система ограничения расстояния , где это график и — это задание расстояний на края , является -сглаживается в некотором нормированном векторном пространстве если существует структура в -размеры.
График является -сплющиваемый в если каждая система ограничений расстояния с поскольку его граф ограничений -сплющенный.
Уплощение также можно определить в терминах конфигурационных пространств Кэли; см. подключение к пространствам конфигурации Кэли ниже.
Характеристики
[ редактировать ]Замыкание по подграфам. Уплощаемость замкнута при взятии подграфов. [1] Чтобы убедиться в этом, заметим, что для некоторого графа , все возможные вложения подграфа из содержатся во множестве всех вложений .
Минор-закрытый. Уплощение — это свойство с малой замкнутостью по тому же аргументу, что и выше. [1]
Размер сглаживания. Размерность выравнивания графика в некотором нормированном векторном пространстве является наименьшим измерением такой, что является -сплющенный. Размерность сглаживания графа тесно связана с его граммовой размерностью. [3] Ниже приводится верхняя граница размерности уплощения произвольного графа при -норм.
Теорема. [4] Размерность выравнивания графика под -норма максимум .
Подробное рассмотрение этой темы см. в главе 11.2 книги Deza & Laurent. [5]
Евклидова уплощаемость
[ редактировать ]В этом разделе рассматриваются результаты уплощения в евклидовом пространстве , где расстояние измеряется с помощью норма, также называемая евклидовой нормой .
1-сглаживаемые графы
[ редактировать ]Следующая теорема является фольклорной и показывает, что единственным запрещенным минором для 1-сглаживаемости является полный граф. .
Теорема. Граф является 1-сглаживаемым тогда и только тогда, когда он является лесом .

Доказательство. Доказательство можно найти в Belk & Connelly. [1] В одном направлении лес представляет собой набор деревьев, и любая система ограничений на расстояние, графом которой является дерево, может быть реализована в одномерном измерении. В другом направлении, если график не лес, то он имеет полный граф как подграф. Рассмотрим DCS, которая присваивает расстояние 1 краям подграф и расстояние 0 до всех остальных ребер. Эта DCS имеет реализацию в 2-мерном измерении как 1-скелет треугольника, но не имеет реализации в 1-мерном измерении.
Это доказательство допускало, что расстояния на ребрах равны 0, но этот аргумент справедлив, даже если это запрещено. См. Белк и Коннелли. [1] для подробного объяснения.

2-сглаживаемые графы
[ редактировать ]Следующая теорема является фольклорной и показывает, что единственным запрещенным минором для 2-уплощенности является полный граф. .
Теорема. Граф является 2-сглаживаемым тогда и только тогда, когда он является частичным 2-деревом .
Доказательство. Доказательство можно найти в Belk & Connelly. [1] Для одного направления, поскольку уплощаемость замкнута относительно взятия подграфов, достаточно показать, что 2-деревья 2-сглаживаемы. 2-дерево с вершины можно построить рекурсивно , взяв 2-дерево с вершины и соединение новой вершины с вершинами существующего ребра. Базовый случай – это . Действуем индукцией по числу вершин. . Когда , рассмотрите любое задание на расстоянии по краям . Обратите внимание, что если не подчиняется неравенству треугольника , то эта ДСК не имеет реализации ни в одном измерении. Без ограничения общности разместим первую вершину в начале координат и во второй вершине вдоль оси x так, что удовлетворен. Третья вершина можно разместить на пересечении кругов с центрами и и радиусы и соответственно. Этот метод размещения называется построением линейки и циркуля . Следовательно, является 2-сплющиваемым.
Теперь предположим, что 2-дерево с вершины 2-сглаживаемы. По определению, 2-дерево с вершинами является 2-дерево с вершины, скажем и дополнительная вершина соединен с вершинами существующего ребра в . По индуктивному предположению, является 2-сплющиваемым. Наконец, используя тот же аргумент построения линейки и циркуля, что и в базовом случае, можно расположить так, чтобы оно лежало на плоскости. Таким образом, 2-деревья 2-сплющиваемы по индукции.
Если график не является частичным 2-деревом, то оно содержит как несовершеннолетний. Присвоение расстояния 1 краям минор и расстояние 0 до всех остальных ребер дает DCS с реализацией в 3-х измерениях как 1-скелет тетраэдров. Однако эта DCS не реализуется в двух измерениях: при попытке разместить четвертую вершину с помощью линейки и циркуля не все три круга, определяемые четвертой вершиной, пересекаются.
Пример. Рассмотрим граф на рисунке 2. Добавление ребра превращает его в 2-дерево; следовательно, это частичное 2-дерево. Таким образом, оно 2-сплющиваемо.
Пример. График колеса содержит как несовершеннолетний. Таким образом, оно не является 2-сглаживаемым.
3-сглаживаемые графы
[ редактировать ]Класс 3-сглаживаемых графов строго содержит класс частичных 3-деревьев. [1] Точнее, запрещенные миноры для частичных 3-деревьев представляют собой полный граф. , 1-скелет октаэдра , , и , но , и 3-сплющиваемы. [6] Эти графики показаны на рисунке 3. Кроме того, следующая теорема Белка и Коннелли [1] показывает, что единственными запрещенными минорами для 3-сглаживаемости являются и .

Теорема. [1] Граф является 3-сглаживаемым тогда и только тогда, когда он не имеет или как несовершеннолетний.
Идея доказательства: доказательство, данное в книге Belk & Connelly. [1] предполагает, что , и 3-реализуемы. Это доказано в той же статье с использованием математических инструментов теории жесткости, особенно тех, которые касаются тенсегрити. Полный график не является 3-сглаживаемым, и тот же аргумент, который показывает не является 2-сплющиваемым и здесь не работает 1-сглаживание: присвоение расстояния 1 краям дает DCS без реализации в трех измерениях. Рисунок 4 наглядно доказывает, что график не является 3-сглаживаемым. Вершины 1, 2 и 3 образуют вырожденный треугольник. Для ребер между вершинами 1–5 ребра и присвоено расстояние всем остальным ребрам назначается расстояние 1. Вершины 1–5 имеют уникальное расположение в трех измерениях, с точностью до конгруэнтности. Вершина 6 имеет 2 возможных размещения в 3-х измерениях: по 1 на каждой стороне плоскости. определяется вершинами 1, 2 и 4. Следовательно, ребро имеет два значения расстояния, которые могут быть реализованы в трех измерениях. Однако вершина 6 может вращаться вокруг плоскости в 4-х измерениях, удовлетворяя всем ограничениям, поэтому ребро имеет бесконечно много значений расстояний, которые могут быть реализованы только в 4-х измерениях или выше. Таким образом, не является 3-сглаживаемым. Тот факт, что эти графы не являются 3-сглаженными, доказывает, что любой граф с любым или как минор не является 3-сглаживаемым.

Другое направление показывает, что если график не имеет или будучи несовершеннолетним, то может быть построено из частичных 3-деревьев, , и через 1-суммы , 2-суммы и 3-суммы. Все эти графы 3-сглаживаемы, и эти операции сохраняют 3-сглаживаемость, поэтому является 3-сплющиваемым.
Методы этого доказательства приводят к следующему результату Белка и Коннелли. [1]
Теорема. [1] Каждый 3-реализуемый граф является подграфом графа, который может быть получен последовательностью 1-сумм, 2-сумм и 3-сумм графов. , , и .
Пример. Предыдущую теорему можно применить, чтобы показать, что 1-остов куба 3-сплющиваем. Начните с графика , который является 1-скелетом тетраэдра. На каждой грани тетраэдра выполните 3-сумму с другой граф, т.е. склеить два тетраэдра по граням. Полученный граф содержит куб в качестве подграфа и является 3-сглаживаемым.
В высших измерениях
[ редактировать ]Давая запрещенную второстепенную характеристику -сглаживаемые графики, для измерения , является открытой проблемой. Для любого размера , и 1-скелет -мерный аналог октаэдра являются запрещенными минорами для -сплющиваемость. [1] Предполагается, что количество запрещенных несовершеннолетних для -уплощаемость асимптотически возрастает до числа запрещенных миноров для частичных -деревья, и их более запрещенные несовершеннолетние для частичных 4-деревьев. [1]
Альтернативная характеристика -сглаженные графы связывают сглаживаемость с конфигурационными пространствами Кэли. [2] [7] См. раздел о подключении к пространствам конфигурации Кэли .
Связь с проблемой реализации графа
[ редактировать ]Учитывая систему ограничений расстояния и размерность , проблема реализации графа требует -мерная структура РСУ, если таковая существует. Есть алгоритмы реализации -сглаживаемые графики в -размеры, для , которые выполняются за полиномиальное время в зависимости от размера графа. Для , реализовать каждое дерево в лесу в одномерном виде тривиально за полиномиальное время. Алгоритм для упоминается в Belk & Connelly. [1] Для , алгоритм в So & Ye [8] получает основу РСУ с использованием методов полуопределенного программирования , а затем использует метод «свертывания», описанный в Белке. [6] трансформировать в трехмерную структуру.
Уплощаемость по p -нормам
[ редактировать ]В этом разделе рассматриваются результаты уплощения графов в общих условиях. -нормы , для .
Связь с алгебраической геометрией
[ редактировать ]Определение уплощаемости графа при общем -норма может быть достигнута с использованием методов алгебраической геометрии , как это предложено Белком и Коннелли. [1] Вопрос о том, является ли график является - Flattenable эквивалентно определению двух полуалгебраических множеств равенства . Один алгоритм сравнения двух полуалгебраических множеств требует время. [9]
Подключение к пространствам конфигурации Кэли
[ редактировать ]Для общего -норм, существует тесная связь между уплощаемостью и пространствами конфигурации Кэли . [2] [7] Следующая теорема и ее следствие найдены у Ситхарама и Уиллоуби. [2]
Теорема. [2] График является -сглаживаем тогда и только тогда, когда для каждого подграфа из в результате удаления набора ребер от и любой -вектор расстояния такое, что DCS имеет реализацию, -мерное конфигурационное пространство Кэли над является выпуклым.
Следствие. График не -сглаживается, если существует некоторый подграф из и некоторые -вектор расстояния такой, что -мерное конфигурационное пространство Кэли над не является выпуклым.
l 1 и l ∞ 2-Уплощение по нормам
[ редактировать ]The и нормы эквивалентны вращающимся осям в 2-х измерениях, [5] поэтому результаты о 2-сглаживании для любой нормы верны для обеих. В этом разделе используется -норм. Полный график 2-сплющиваема относительно -норма и 3-сплющиваема, но не 2-сплющена. [10] Эти факты способствуют следующим результатам о 2-уплощенности при -норма найдена в Ситхараме и Уиллоуби. [2]
Наблюдение. [2] Множество 2-сглаживаемых графов под -норма (и -norm) строго содержит множество 2-сглаживаемых графов при -норм.
Теорема. [2] 2-сумма 2-сглаживаемых графов является 2-сглаживаемой тогда и только тогда, когда не более одного графа имеет незначительный.
Тот факт, что является 2-сплющиваемым, но не имеет значения для запрещенной второстепенной характеризации для 2-сглаживаемых графов в соответствии с -норм. В частности, несовершеннолетние могут быть запрещены несовершеннолетние из-за 2-сглаживаемости. Следующие результаты исследуют эти возможности и дают полный набор запрещенных несовершеннолетних.
Теорема. [2] Банановый граф, или с удаленным одним ребром не является 2-сплющенным.
Наблюдение. [2] Граф, полученный удалением двух ребер, инцидентных одной вершине, из является 2-сплющиваемым.
Наблюдение. [2] Связные графы с 5 вершинами и 7 ребрами 2-сглаживаемы.
Единственный несовершеннолетний из слева — график колеса , и следующий результат показывает, что это один из запрещенных миноров.
Теорема. [11] Граф является 2-сглаживаемым относительно - или -norm тогда и только тогда, когда он не имеет ни одного из следующих графов в качестве минорных:
- график колеса или
- граф, полученный путем взятия 2-суммы двух копий и удаление общего края.
Связь с жесткостью конструкции
[ редактировать ]В этом разделе уплощаемость связана с концепциями структурной (комбинаторной) теории жесткости , такими как матроид жесткости . Следующие результаты касаются -дистанционный конус , то есть совокупность всех -векторы расстояний, которые можно реализовать как конфигурацию точки в некотором измерении. Доказательство того, что это множество является конусом, можно найти у Болла. [12] -слой этого конуса – это векторы, которые можно реализовать как конфигурацию указывает на -размеры. Проекция или на ребра графа это набор векторы расстояний, которые можно реализовать как длины ребер некоторого вложения .
Общее свойство графа является той, которую используют почти все структуры систем дистанционных ограничений, граф которых , иметь. Структура РСУ под -norm — это общая структура (по отношению к -сглаживаемость), если выполняются следующие два условия:
- есть открытый район из внутри конуса , и
- структура - Flattenable тогда и только тогда, когда все фреймворки в являются -сплющенный.
Условие (1) обеспечивает, что окрестность имеет полный ранг. Другими словами, имеет размерность, равную размерности сглаживания полного графа под -норм. См. Китсон [13] для более подробного обсуждения общей структуры для -норм. Следующие результаты были найдены в Sitharam & Willoughby. [2]
Теорема. [2] График является -сглаживаемо тогда и только тогда, когда каждая общая структура является -сплющенный.
Теорема. [2] -сглаживаемость не является общим свойством графов, даже для -норм.
Теорема. [2] Общий -сглаживаемая структура графа существует тогда и только тогда, когда независим в общем матроид трехмерной жесткости.
Следствие. [2] График является -сглаживается только в том случае, если является независимым в матроид трехмерной жесткости.
Теорема. [2] Для общего -нормы, график является
- независимый в общем -мерный матроид жесткости тогда и только тогда, когда проекция -слой на края имеет размерность, равную числу ребер ;
- максимально независимы в родовом Матроид трехмерной жесткости тогда и только тогда, когда проецируется -слой на края сохраняет свою размерность, и эта размерность равна числу ребер ;
- жесткий в -размеры тогда и только тогда, когда проецируем -слой на края сохраняет свой размер;
- не является независимым в общем -мерный матроид жесткости тогда и только тогда, когда размерность проекции -слой на края строго меньше минимума размерности и количество ребер .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Белк, Мария; Коннелли, Роберт (2007). «Реализуемость графов» . Дискретная и вычислительная геометрия . 37 (2): 125–137. дои : 10.1007/s00454-006-1284-5 . S2CID 12755057 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Ситхарам, М.; Уиллоуби, Дж. (2014). «О уплощенности графов». Автоматизированный вывод по геометрии . Конспекты лекций по информатике. 9201 : 129–148. дои : 10.1007/978-3-319-21362-0_9 . ISBN 978-3-319-21361-3 . S2CID 23208 .
- ^ Лоран, Моник ; Варвициотис, Антониос (2012). «Грамманская размерность графа». Комбинаторная оптимизация . Конспекты лекций по информатике. Том. 7422. стр. 356–367. дои : 10.1007/978-3-642-32147-4_32 . ISBN 978-3-642-32146-7 . S2CID 18567150 .
- ^ Барвинок, А. (1995). «Проблемы дистанционной геометрии и выпуклые свойства квадратичных отображений» . Дискретная и вычислительная геометрия . 13 (2): 189–202. дои : 10.1007/BF02574037 . S2CID 20628306 .
- ^ Перейти обратно: а б Деза, Мишель ; Лоран, Моник (1997). Геометрия разрезов и метрика . Шпрингер-Верлаг Берлин Гейдельберг. дои : 10.1007/978-3-642-04295-9 . ISBN 978-3-540-61611-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Белк, Мария (2007). «Реализуемость графов в трех измерениях» . Дискретная и вычислительная геометрия . 37 (2): 139–162. дои : 10.1007/s00454-006-1285-4 . S2CID 20238879 .
- ^ Перейти обратно: а б Ситхарам, Мира; Гао, Хэпин (2010). «Характеристика графов с выпуклыми и связными пространствами конфигурации Кэли» . Дискретная и вычислительная геометрия . 43 (3): 594–625. дои : 10.1007/s00454-009-9160-8 . S2CID 35819450 .
- ^ Итак, Энтони Ман-Чо; Йе, Иньюй (2006). «Подход полуопределенного программирования к теории тенсегрити и реализуемости графов». Материалы семнадцатого ежегодного симпозиума ACM-SIAM по дискретному алгоритму - SODA '06 . стр. 766–775. дои : 10.1145/1109557.1109641 . ISBN 0898716055 . S2CID 10134807 .
- ^ Басу, Саугата; Поллак, Ричард ; Мари-Франсуаза, Рой (2003). «Экзистенциальная теория реальности». Алгоритмы в реальной алгебраической геометрии . Алгоритмы и вычисления в математике. Том. 10. Шпрингер, Берлин, Гейдельберг. дои : 10.1007/3-540-33099-2_14 . ISBN 978-3-540-33098-1 .
- ^ Витсенхаузен, Ганс С. (1986). «Минимально размерное вложение конечных метрических пространств». Журнал комбинаторной теории . Серия А. 42 (2): 184–199. дои : 10.1016/0097-3165(86)90089-0 .
- ^ Фиорини, Самуэль; Хьюнь, Тони; Жоре, Гвенаэль; Варвициотис, Антониос (01 января 2017 г.). «Исключенные миноры для изометрической реализуемости на плоскости» . SIAM Journal по дискретной математике . 31 (1): 438–453. arXiv : 1511.08054 . дои : 10.1137/16M1064775 . hdl : 10356/81454 . ISSN 0895-4801 . S2CID 2579286 .
- ^ Болл, Кейт (1990). «Изометрическое вложение в lp-пространства» . Европейский журнал комбинаторики . 11 (4): 305–311. дои : 10.1016/S0195-6698(13)80131-X .
- ^ Китсон, Дерек (2015). «Конечная и бесконечно малая жесткость с многогранными нормами» . Дискретная и вычислительная геометрия . 54 (2): 390–411. arXiv : 1401.1336 . дои : 10.1007/s00454-015-9706-x . S2CID 15520982 .