Размерность (теория графов) - Dimension (graph theory)

Размер Граф Петерсена равно 2.

В математика, и особенно в теория графов, то размерность графа наименьшее целое число п такое, что существует "классическое представление" графа в Евклидово пространство измерения п со всеми краями единичной длины.

В классическом представлении вершины должны быть разными точками, но ребра могут пересекать друг друга.^[1]

Размерность графа грамм написано: ${\displaystyle \dim G}$.

Например, Граф Петерсена может быть нарисован с ребрами единицы в ${\displaystyle E^{2}}$, но не в ${\displaystyle E^{1}}$: следовательно, его размер равен 2 (см. рисунок справа).

Эта концепция была представлена ​​в 1965 г. Пол Эрдёш, Фрэнк Харари и Уильям Тутте.^[2] Это обобщает понятие график единичного расстояния до более чем двух измерений.

Примеры

С 4 равноотстоящими точками нам нужно 3 измерения.

Полный график

В худшем случае каждая пара вершин связана, что дает полный график.

К погружать полный график ${\displaystyle K_{n}}$ со всеми ребрами, имеющими единичную длину, нам понадобится евклидово пространство размерности ${\displaystyle n-1}$.^[3] Например, для погружения требуется два измерения. ${\displaystyle K_{3}}$ (равносторонний треугольник) и три для погружения ${\displaystyle K_{4}}$ (правильный тетраэдр), как показано справа.

${\displaystyle \dim K_{n}=n-1}$

Другими словами, размерность всего графа такая же, как у графа. симплекс с одинаковым количеством вершин.

Полный двудольный граф ${\displaystyle K_{4,2}}$ нарисованный в евклидовом трехмерном пространстве.

Полные двудольные графы

А звездный график нарисованные в плоскости кромками единичной длины.

Все звездные графики ${\displaystyle K_{m,1}}$, за ${\displaystyle m\geq 3}$, имеют размер 2, как показано на рисунке слева. Звездные графы с м равным 1 или 2, нужен только размер 1.

Размерность полный двудольный граф ${\displaystyle K_{m,2}}$, за ${\displaystyle m\geq 3}$, можно нарисовать как на рисунке справа, поместив м вершины на окружности, радиус которой меньше единицы, и две другие вершины, расположенные по обе стороны от плоскости круга, на подходящем расстоянии от нее. ${\displaystyle K_{2,2}}$ имеет размер 2, так как его можно нарисовать как единичный ромб на плоскости.

Теорема — Размерность общего полного двудольного графа ${\displaystyle K_{m,n}}$, за ${\displaystyle m\geq 3}$ и ${\displaystyle n\geq 3}$, равно 4. Доказательство Чтобы показать, что 4-мерного пространства достаточно, как и в предыдущем случае, мы используем круги. Обозначая координаты четырехмерного пространства через ${\displaystyle w,x,y,z}$, мы расположим один набор вершин произвольно на окружности, заданной ${\displaystyle w^{2}+x^{2}=a,y=0,z=0}$ куда ${\displaystyle 0<a<1}$, а второй - произвольно на окружности ${\displaystyle y^{2}+z^{2}=1-a,w=0,x=0}$. Тогда мы видим, что расстояние между любой вершиной в одном наборе и любой вершиной в другом наборе равно ${\displaystyle {\sqrt {w^{2}+x^{2}+y^{2}+z^{2}}}={\sqrt {a+1-a}}=1}$. Также можно показать, что подграф ${\displaystyle K_{3,3}}$ не допускает такого представления в пространстве размерности меньше 3: Если такое представление существует, то три точки ${\displaystyle A_{1}}$, ${\displaystyle A_{2}}$ и ${\displaystyle A_{3}}$ лежать на единичной сфере с центром ${\displaystyle B_{1}}$. Точно так же они лежат на единичных сферах с центрами ${\displaystyle B_{2}}$ и ${\displaystyle B_{3}}$. Первые две сферы должны пересекаться по кругу, в точке или вообще не пересекаться; для размещения трех различных точек ${\displaystyle A_{1}}$, ${\displaystyle A_{2}}$ и ${\displaystyle A_{3}}$, мы должны принять круг. Либо эта окружность полностью лежит на третьей единичной сфере, что означает, что третья сфера совпадает с одной из двух других, так что ${\displaystyle B_{1}}$, ${\displaystyle B_{2}}$ и ${\displaystyle B_{3}}$ не все различны; или нет, поэтому его пересечение с третьей сферой составляет не более двух точек, недостаточных для размещения ${\displaystyle A_{1}}$, ${\displaystyle A_{2}}$ и ${\displaystyle A_{3}}$.

Обобщить:

${\displaystyle \dim K_{m,n}=1,2,3{\text{ or }}4}$, в зависимости от значений м и п.

Размерность и хроматическое число

Теорема — Размерность любого графа грамм всегда меньше или равно удвоенному значению хроматическое число:

${\displaystyle \dim G\leq 2\,\chi (G)}$

Доказательство

В этом доказательстве также используются круги.

Мы пишем п для хроматического числа грамми присваиваем целые числа ${\displaystyle (1..n)}$ к п цвета. В ${\displaystyle 2n}$-мерное евклидово пространство, размеры которого обозначены ${\displaystyle x_{1},x_{2},..x_{2n}}$, расставляем все вершины цвета п произвольно на круге, данном ${\displaystyle x_{2n-2}^{2}+x_{2n-1}^{2}=1/2,\quad x_{i}|(i\neq 2{n-2},i\neq 2{n-1})=0}$.

Тогда расстояние от вершины цвета п к вершине цвета q дан кем-то ${\displaystyle {\sqrt {x_{2p-2}^{2}+x_{2p-1}^{2}+x_{2q-2}^{2}+x_{2q-1}^{2}}}={\sqrt {1/2+1/2}}=1}$.

Евклидово измерение

Колесная диаграмма с одной снятой спицей имеет размер 2.

Это же колесо имеет евклидово измерение 3.

Приведенное выше определение размерности графа говорит о минимальном -п представление:

• если две вершины грамм соединены ребром, они должны находиться на единичном расстоянии друг от друга;
• однако две вершины на единичном расстоянии друг от друга не обязательно соединены ребром.

Это определение отвергается некоторыми авторами. Другое определение было предложено в 1991 г. Александр Сойфер, за то, что он назвал Евклидово измерение графа.^[4] Ранее, в 1980 г., Пол Эрдёш и Миклош Симоновиц уже предложил это с названием верное измерение.^[5] По этому определению минимальныйп представление такое, что две вершины графа соединены если и только если их представления находятся на расстоянии 1.

На рисунках напротив показана разница между этими определениями в случае колесо графа имеющий центральную вершину и шесть периферийных вершин с удаленной одной спицей. Его представление на плоскости допускает две вершины на расстоянии 1, но они не связаны.

Запишем это измерение как ${\displaystyle \operatorname {Edim} G}$. Оно никогда не бывает меньше размера, указанного выше:

${\displaystyle \dim G\leq \operatorname {Edim} G}$

Евклидова размерность и максимальная степень

Пол Эрдёш и Миклош Симонович доказали в 1980 году следующий результат:^[5]

Теорема — Евклидово измерение графа грамм не более чем в два раза больше максимального степень плюс один:

${\displaystyle \operatorname {Edim} G\leq 2\,\Delta (G)+1}$

Вычислительная сложность

это NP-жесткий, а точнее полный для экзистенциальная теория реальности, чтобы проверить, является ли размерность или евклидово измерение данного графа не более чем заданным значением. Проблема остается сложной даже для проверки того, равняется ли размерность или евклидово измерение двум.^[6]

Рекомендации

1. Некоторые математики рассматривают это строго как "погружение ", но многие теоретики графов, включая Эрдеша, Харари и Тутте, используют этот термин"встраивание ".
2. Erdős, P .; Harary, F .; Тутте, У. Т. (1965). «О размерности графа» (PDF). Математика. 12 (2): 118–122. Дои:10.1112 / s0025579300005222.
3. Каванг, Райан. «Исследования размерности графиков» (PDF). Получено 16 августа, 2018.
4. Сойфер, Александр (2009). Математическая книжка-раскраска. Springer. ISBN  978-0-387-74640-1.
5. Erdős, P .; Симоновиц, М. (1980). «О хроматическом числе геометрических графов». Ars Comb. (9): 229–246.
6. Шефер, Маркус (2013), «Реализуемость графиков и связей», в Пах, Янош (ред.), Тридцать очерков по теории геометрических графов, Springer, стр. 461–482, CiteSeerX  10.1.1.220.9651, Дои:10.1007/978-1-4614-0110-0_24, ISBN  978-1-4614-0109-4.