Wielomian chromatyczny

Wszystkie nieizomorficzne grafy na 3 wierzchołkach i ich wielomianach chromatycznych, zgodnie z ruchem wskazówek zegara od góry. Niezależny 3-zbiór: k 3 . Krawędź i pojedynczy wierzchołek: k 2 ( k – 1) . Trójścieżka: k ( k – 1) 2 . Klika 3: k ( k – 1)( k – 2) .

Wielomian chromatyczny jest wielomianem grafowym badanym w algebraicznej teorii grafów , gałęzi matematyki . Oblicza liczbę kolorowań wykresu jako funkcję liczby kolorów i został pierwotnie zdefiniowany przez George'a Davida Birkhoffa w celu zbadania problemu czterech kolorów . Został on uogólniony do wielomianu Tutte'a przez Hasslera Whitneya i WT Tutte'a , łącząc go z modelem fizyki statystycznej Potta .

Historia

George David Birkhoff wprowadził wielomian chromatyczny w 1912 roku, definiując go tylko dla grafów planarnych , próbując udowodnić twierdzenie o czterech kolorach . Jeśli liczbę odpowiednich kolorowań z k kolorami , pokazując dla wszystkich grafów planarnych G . W ten sposób miał nadzieję zastosować potężne narzędzia analizy i algebry do badania pierwiastków wielomianów w problemie kolorowania kombinatorycznego.

Hassler Whitney uogólnił wielomian Birkhoffa z przypadku planarnego na grafy ogólne w 1932 r. W 1968 r. Ronald C. Read zapytał, które wielomiany są wielomianami chromatycznymi pewnego grafu, pytanie, które pozostaje otwarte, i wprowadził koncepcję grafów równoważnych chromatycznie. Obecnie wielomiany chromatyczne są jednym z głównych obiektów algebraicznej teorii grafów .

Definicja

Wszystkie prawidłowe kolory wierzchołków grafów wierzchołków z 3 wierzchołkami przy użyciu k kolorów dla . Wielomian chromatyczny każdego wykresu jest interpolowany przez liczbę odpowiednich kolorów.

Dla wykresu ) wierzchołków k _ -kolorowań _ powszechnie lub sol . Istnieje unikalny wielomian który oceniany na dowolnej liczbie całkowitej ≥ 0 coincides with ; it is called the chromatic polynomial of G.

Na przykład, aby pokolorować wykres ścieżki 3 wierzchołkach kolorami można wybrać dowolny z k kolorów dla pierwszego wierzchołka, dowolny z wierzchołka, dowolny z od wyboru drugiego wierzchołka 1 liczba k -kolorowań . Dla zmiennej x (niekoniecznie liczby całkowitej) mamy zatem . (Kolory, które różnią się tylko permutacją kolorów lub automorfizmami G , są nadal liczone jako różne).

Skreślenie – skrócenie

Fakt, że liczba k -kolorowań jest wielomianem w k wynika z relacji rekurencyjnej zwanej rekurencją delecja-kontrakcja lub fundamentalnym twierdzeniem o redukcji . Opiera się na skróceniu krawędzi dla pary wierzchołków v wykres uzyskuje przez połączenie dwóch wierzchołków i usunięcie wszelkich krawędzi ich. Jeśli w , niech wykres uzyskany przez usunięcie krawędzi . Wtedy liczby k -kolorów tych grafów spełniają:

jeśli nie sąsiadują ze sobą w sol jest wykres z dodaną krawędzią \

to z obserwacji, że każde G albo daje różne kolory lub te same kolory W pierwszym przypadku daje to (właściwe) -zabarwienie , podczas gdy w drugim przypadku daje zabarwienie . , k - G można k kolorowania lub _ _ nie sąsiadują ze sobą w G ).

Wielomian chromatyczny można zatem rekurencyjnie zdefiniować jako

dla wykresu bez krawędzi na n wierzchołkach i
dla wykresu G z krawędzią (dowolny wybór).

Ponieważ liczba k -kolorowań wykresu bezkrawędziowego jest rzeczywiście przez indukcję liczby krawędzi wynika, że ​​dla wszystkich P ( pokrywa się z liczbą k -kolorowań w każdym punkcie całkowitym x = k . W szczególności wielomian chromatyczny jest unikalnym wielomianem interpolacyjnym stopnia co najwyżej n przechodzącego przez punkty

Tutte , które inne niezmienniki grafów spełniały takie nawroty, doprowadziła go do odkrycia dwuwymiarowego uogólnienia wielomianu chromatycznego, wielomianu Tutte. .

Przykłady

Wielomiany chromatyczne dla niektórych grafów
trójkąt
Kompletny wykres
wykres bez krawędzi
wykres ścieżki
Dowolne drzewo o n wierzchołkach
cykl
wykres Petersena

Nieruchomości

Dla ustalonego G na n wierzchołkach wielomian jest wielomianem stopnia całkowitymi.

Wielomian chromatyczny zawiera co najmniej tyle samo informacji o możliwości barwienia G , co liczba chromatyczna. Rzeczywiście, liczba chromatyczna jest najmniejszą dodatnią liczbą całkowitą, która nie jest zerem wielomianu chromatycznego,

Wielomian oszacowany na daje ( razy liczba acyklicznych orientacji G.

Pochodna _ _

Jeśli G ma n wierzchołków i c składowych , to

  • Współczynniki są zerami.
  • Wszystkie współczynniki są niezerowe i naprzemienne w znakach.
  • Współczynnik 1 (wielomian ) .
  • Współczynnik wynosi .

poprzez indukcję liczby krawędzi prostego G z i . Kiedy , G jest pustym wykresem. Stąd z definicji . Tak więc współczynnik co oznacza dla pustego wykresu Kiedy , jak w G ma tylko jedną krawędź, . Zatem współczynnik wynosi . Tak więc stwierdzenie obowiązuje dla k = 1. Używając silnej indukcji , załóżmy, że stwierdzenie jest prawdziwe dla . Niech G ma . Zgodnie z zasadą skracania i usuwania ,

,



Niech i . P . Ponieważ uzyskuje się z G przez usunięcie tylko jednej krawędzi mi , , więc i dlatego stwierdzenie jest prawdziwe dla k .

  • Współczynnik wynosi ( więcej acyklicznych orientacji, które mają unikalne ujście, określony, dowolnie wybrany wierzchołek.
  • Wartości bezwzględne współczynników każdego wielomianu chromatycznego tworzą ciąg logarytmicznie wklęsły .

przez fakt, że jeśli jest k -kliką -sumą i ( tj. dwóch w kliki na k wierzchołkach), wtedy

Graf G o n wierzchołkach jest drzewem wtedy i tylko wtedy, gdy

Równoważność chromatyczna

Trzy wykresy z wielomianem chromatycznym równym .

Mówimy, że dwa grafy są chromatycznie równoważne , jeśli mają ten sam wielomian chromatyczny. Grafy izomorficzne mają ten sam wielomian chromatyczny, ale grafy nieizomorficzne mogą być równoważne chromatycznie. Na przykład wszystkie drzewa na n wierzchołkach mają ten sam wielomian chromatyczny. W szczególności jest wielomianem chromatycznym zarówno wykresu pazurów , jak i wykresu ścieżki na 4 wierzchołkach.

Wykres jest chromatycznie unikalny , jeśli jest określony przez jego wielomian chromatyczny, aż do izomorfizmu. Innymi G chromatycznie , _ _ _ _ Wszystkie wykresy cykli są chromatycznie unikalne.

Korzenie chromatyczne

Pierwiastek (lub zero ) wielomianu chromatycznego, zwany „pierwiastkiem chromatycznym”, jest wartością x gdzie } . Pierwiastki chromatyczne zostały bardzo dobrze zbadane, w rzeczywistości pierwotną motywacją Birkhoffa do zdefiniowania wielomianu chromatycznego było wykazanie, że dla grafów planarnych dla x ≥ 4 To ustanowiłoby twierdzenie o czterech kolorach .

Żaden wykres nie może mieć koloru 0, więc 0 jest zawsze pierwiastkiem chromatycznym. Tylko grafy bez krawędzi mogą być jednokolorowe, więc 1 jest pierwiastkiem chromatycznym każdego grafu z co najmniej jedną krawędzią. Z drugiej strony, z wyjątkiem tych dwóch punktów, żaden graf nie może mieć pierwiastka chromatycznego przy liczbie rzeczywistej mniejszej lub równej 32/27. Wynik Tutte łączy { \ phi jest zatem płaską triangulacją kuli

Chociaż linia rzeczywista ma zatem duże części, które nie zawierają pierwiastków chromatycznych żadnego wykresu, każdy punkt na płaszczyźnie zespolonej jest arbitralnie blisko pierwiastka chromatycznego w tym sensie, że istnieje nieskończona rodzina grafów, których pierwiastki chromatyczne są gęste na płaszczyźnie zespolonej .

Kolorowanki z wykorzystaniem wszystkich kolorów

Dla wykresu G na n wierzchołkach niech liczbę kolorowań przy użyciu dokładnie k kolorów do zmiany nazw kolorów (tak więc kolory, można uzyskać od siebie przez permutację kolorów, są liczone jako jeden zabarwienia uzyskane przez automorfizmy G są nadal liczone osobno). Innymi słowy, zlicza liczbę podziałów zbioru wierzchołków na k (niepustych) niezależnych zestawów . wtedy zlicza liczbę kolorowań przy użyciu dokładnie k kolorów (z rozróżnialnymi kolorami). Dla liczby całkowitej x , wszystkie kolory x G można jednoznacznie uzyskać, wybierając liczbę całkowitą k ≤ x , wybierając k kolorów do użycia spośród x dostępnych i kolorowanie przy użyciu dokładnie tych k (rozróżnialnych) kolorów. Dlatego:

,

gdzie oznacza silnię opadającą . Zatem liczby współczynnikami wielomianu w podstawie opadających silni.

Niech za będzie k -tym współczynnikiem w standardowej podstawie , czyli:

Liczby Stirlinga dają zmianę bazy między bazą standardową a bazą opadających silni. Oznacza to:

i .

Kategoryzacja

Wielomian chromatyczny jest klasyfikowany przez teorię homologii blisko spokrewnioną z homologią Khovanova .

Algorytmy

Wielomian chromatyczny
Wejście Graf G z n wierzchołkami.
Wyjście współczynniki
Czas działania dla pewnej stałej
Złożoność #P -twarde
Redukcja od #3SOB
#k-kolorowanki
Wejście Graf G z n wierzchołkami.
Wyjście
Czas działania w P. , . dla . W przeciwnym razie dla pewnej stałej
Złożoność # P -twarde, chyba że
Zbliżalność Brak FPRAS dla

Problemy obliczeniowe związane z wielomianem chromatycznym obejmują

  • znalezienie wielomianu chromatycznego danego wykresu G ; }
  • oceniając _ _ _ _ _

ponieważ gdybyśmy znali współczynniki, to ocenić w dowolnym momencie czasu n . Trudność drugiego rodzaju problemu silnie zależy od wartości x i była intensywnie badana pod kątem złożoności obliczeniowej . Kiedy x jest liczbą naturalną, ten problem jest zwykle postrzegany jako obliczanie liczby x -kolorów danego wykresu. Na przykład, obejmuje to problem #3-kolorowanie liczenia liczby 3-kolorowań, problem kanoniczny w badaniu złożoności liczenia, kompletny dla klasy liczenia #P .

Wydajne algorytmy

Dla niektórych podstawowych klas grafów znane są wzory zamknięte na wielomian chromatyczny. Na przykład dotyczy to drzew i klik, jak pokazano w powyższej tabeli.

Algorytmy czasu wielomianowego są znane z obliczania wielomianu chromatycznego dla szerszych klas grafów, w tym grafów akordowych i grafów o ograniczonej szerokości kliki . Ta ostatnia klasa obejmuje kografy i grafy o ograniczonej szerokości drzewa , takie jak grafy płaszczyzny zewnętrznej .

Skreślenie – skrócenie

Powtarzalność usuwania i skracania daje sposób obliczania wielomianu chromatycznego, zwanego algorytmem usuwania i skracania . W pierwszej postaci (z minusem) rekurencja kończy się zbiorem pustych grafów. W drugiej formie (z plusem) kończy się zbiorem pełnych wykresów. Stanowi to podstawę wielu algorytmów kolorowania wykresów. Funkcja ChromaticPolynomial w pakiecie Combinatorica systemu algebry komputerowej Mathematica używa drugiego nawrotu, jeśli wykres jest gęsty, i pierwszego nawrotu, jeśli wykres jest rzadki. W najgorszym przypadku czas działania którejkolwiek formuły spełnia tę samą relację powtarzalności, co liczby Fibonacciego , więc w najgorszym przypadku algorytm działa w czasie z wielomianem równym

na grafie o n wierzchołkach i m krawędziach. do współczynnika wielomianu rozpinających wejściowego W praktyce strategie rozgałęzień i ograniczeń oraz odrzucanie izomorfizmu grafów są stosowane w celu uniknięcia niektórych wywołań rekurencyjnych, czas działania zależy od heurystyki użytej do wybrania pary wierzchołków.

Metoda kostki

Istnieje naturalna perspektywa geometryczna dotycząca kolorowania grafów, obserwując, że jako przypisanie liczb naturalnych do każdego wierzchołka, kolorowanie grafu jest wektorem w siatce liczb całkowitych. Ponieważ dwa wierzchołki, którym nadano ten sam kolor, są równoważne tym, że wektorze kolorowania są równe, 'th i każda krawędź może być powiązana z hiperpłaszczyzną postaci . Zbiór takich hiperpłaszczyzn dla danego grafu nazywamy jego układem graficznym . Właściwymi kolorami grafu są te punkty sieci, które unikają zabronionych hiperpłaszczyzn. zestawu w sześcianie liczbę punktów kratowych w graficznego.

Złożoność obliczeniowa

Problem obliczania liczby 3-kolorowań danego wykresu jest kanonicznym przykładem problemu #P -zupełnego, więc problem obliczania współczynników wielomianu chromatycznego jest #P-trudny. ocena danego # P Z drugiej strony, dla obliczyć, odpowiednie problemy to obliczalny w czasie wielomianowym. Dla liczb trudny podobnie jak w przypadku W rzeczywistości wiadomo, że jest # P-trudne dla wszystkich x (w tym ujemnych liczb całkowitych, trzech „łatwych punktów Tak więc, z perspektywy #P-twardości, złożoność obliczania wielomianu chromatycznego jest całkowicie zrozumiała.

W rozszerzeniu

współczynnik i znanych jest kilka innych właściwości współczynników. Rodzi to pytanie, czy niektóre współczynniki są łatwe do obliczenia. Jednak problem obliczeniowy obliczenia a r dla ustalonego r ≥ 1 i danego grafu G jest #P-trudny, nawet dla dwudzielnych grafów planarnych.

Żadne algorytmy aproksymacji do obliczania dla żadnego łatwych punktów W punktach całkowitych odpowiedni problem decyzyjny decydujący dany wykres może być kolorowy , trudny Takich problemów nie można przybliżyć do żadnego czynnika multiplikatywnego za pomocą algorytmu probabilistycznego z ograniczonym błędem, chyba że NP = RP, ponieważ każde przybliżenie multiplikatywne rozróżniłoby wartości 0 i 1, skutecznie rozwiązując wersję decyzyjną w probabilistycznym czasie wielomianowym z ograniczonym błędem. W szczególności, przy tym samym założeniu, wyklucza to możliwość w pełni wielomianowego losowego schematu aproksymacji czasu (FPRAS) . W przypadku innych punktów potrzebne są bardziej skomplikowane argumenty, a pytanie to jest przedmiotem aktywnych badań. Od 2008 roku wiadomo, że nie ma do obliczania dla dowolnego x 2 obowiązuje NP RP

Notatki

Linki zewnętrzne