Jump to content

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 .

Рисунок 1. Двумерная структура РСУ, граф которой представляет собой дерево с шестью вершинами, показана синим цветом. Одномерный каркас той же DCS показан красным.

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.

Рисунок 2. Для некоторых связей этот граф имеет одномерную реализацию (например, присвоение 1 каждому ребру). Однако, можно получить, сжимая ребро , поэтому граф не является 1-сглаживаемым.

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 .

Рисунок 3. Интересующие графики 3-сглаживаемости.

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.

Рисунок 4. Этапы построения, показывающие, что 1-скелет октаэдра не является 3-сплющенным. [1]

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:

  1. есть открытый район из внутри конуса , и
  2. 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

  1. независимый в общем -мерный матроид жесткости тогда и только тогда, когда проекция -слой на края имеет размерность, равную числу ребер ;
  2. 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 ;
  3. жесткий в -размеры тогда и только тогда, когда проецируем -слой на края сохраняет свой размер;
  4. 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 .
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ Болл, Кейт (1990). «Изометрическое вложение в lp-пространства» . Европейский журнал комбинаторики . 11 (4): 305–311. дои : 10.1016/S0195-6698(13)80131-X .
  13. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ce2928f743135243bd5515428ae6cda0__1704437580
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ce/a0/ce2928f743135243bd5515428ae6cda0.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Graph flattenability - 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.)