Wykres jednostkowej odległości

Wykres jednostkowej odległości z 16 wierzchołkami i 40 krawędziami

W matematyce , w szczególności w teorii grafów geometrycznych , wykres odległości jednostkowej to wykres utworzony ze zbioru punktów na płaszczyźnie euklidesowej przez połączenie dwóch punktów, gdy odległość między nimi wynosi dokładnie jeden. Aby odróżnić te wykresy od szerszej definicji, która pozwala niektórym niesąsiadującym parom wierzchołków znajdować się w odległości jeden, można je również nazwać ścisłymi wykresami odległości jednostkowej lub wiernymi wykresami odległości jednostkowej . Jako dziedziczna rodzina grafów można je scharakteryzować zabronione indukowane podgrafy . Wykresy odległości jednostkowych obejmują wykresy kaktusowe , wykresy zapałek i wykresy groszowe oraz wykresy hipersześcianu . Uogólnione wykresy Petersena to nieścisłe wykresy odległości jednostkowych.

Nierozwiązany problem Paula Erdősa pyta, może mieć wykres jednostkowej odległości na Najbardziej znana dolna granica jest nieco powyżej liniowej w od górnej granicy , proporcjonalnie do . Nieznana jest również liczba kolorów wymaganych do pokolorowania wykresów odległości jednostkowych ( problem Hadwigera – Nelsona ): niektóre wykresy odległości jednostkowych wymagają pięciu kolorów, a każdy wykres odległości jednostkowych można pokolorować siedmioma kolorami. Dla każdej liczby algebraicznej istnieje wykres jednostkowej odległości z dwoma wierzchołkami, które muszą być oddalone od siebie o tę odległość. Zgodnie z twierdzeniem Beckmana – Quarlesa jedynymi przekształceniami płaszczyzny, które zachowują wszystkie wykresy odległości jednostkowych, są izometrie .

Możliwe jest wydajne skonstruowanie wykresu odległości jednostkowej, biorąc pod uwagę jego punkty. Znalezienie wszystkich odległości jednostkowych ma zastosowanie w dopasowywaniu wzorców , gdzie może być pierwszym krokiem w znalezieniu zgodnych kopii większych wzorców. Jednak ustalenie, czy dany wykres można przedstawić jako wykres jednostkowej odległości, jest NP-trudne , a dokładniej kompletne dla egzystencjalnej teorii liczb rzeczywistych .

Definicja

Wykres Petersena jako wykres jednostkowej odległości
Möbiusa – Kantora jako podwykres wykresu odległości jednostkowej

Wykres jednostkowej odległości dla zbioru punktów na płaszczyźnie jest grafem nieskierowanym , którego wierzchołkami są te punkty , z krawędzią między dwoma wierzchołkami, gdy ich odległość euklidesowa wynosi dokładnie jeden. O grafie abstrakcyjnym mówimy, że jest grafem odległości jednostkowych, jeśli możliwe jest znalezienie różnych położeń wierzchołków na płaszczyźnie, tak aby jego krawędzie miały długość jednostkową, a wszystkie niesąsiadujące pary wierzchołków miały odległości niejednostkowe. Gdy jest to możliwe, graf abstrakcyjny jest izomorficzny do wykresu jednostkowej odległości wybranych lokalizacji. Alternatywnie, niektóre źródła stosują szerszą definicję, pozwalając niesąsiadującym parom wierzchołków na odległość jednostkową. Otrzymane wykresy są podgrafami wykresów odległości jednostkowych (zgodnie z definicją tutaj). Tam, gdzie terminologia może być niejednoznaczna, grafy, w których krawędzie niebędące krawędziami muszą znajdować się w odległości niejednostkowej, można nazwać ścisłymi wykresami odległości jednostkowej lub wiernymi wykresami odległości jednostkowej . Podgrafy wykresów jednostkowych odległości są równoważnymi wykresami, które można narysować na płaszczyźnie przy użyciu tylko jednej długości krawędzi. Dla zwięzłości, ten artykuł odnosi się do nich jako do „nieścisłych wykresów odległości jednostkowych”.

Wykresów jednostkowych odległości nie należy mylić z wykresami dysków jednostkowych , które łączą pary punktów, gdy ich odległość jest mniejsza lub równa jeden, i są często używane do modelowania bezprzewodowych sieci komunikacyjnych.

Przykłady

Pełny graf na dwóch wierzchołkach jest wykresem odległości jednostkowej, podobnie jak pełny graf na trzech wierzchołkach ( wykres trójkątny ), ale nie pełny graf na czterech wierzchołkach. Uogólniając wykres trójkątny, każdy wykres cyklu jest wykresem jednostkowej odległości, realizowanym przez wielokąt foremny . Dwa wykresy odległości jednostek skończonych, połączone w jednym wspólnym wierzchołku, dają inny wykres odległości jednostkowych, ponieważ jeden z nich można obracać względem drugiego, aby uniknąć niepożądanych dodatkowych odległości jednostkowych. Łącząc w ten sposób grafy, każdy skończony drzewa lub kaktusa może być zrealizowany jako wykres jednostkowej odległości.

Wykres hipersześcianu ma 16 wierzchołków i 32 jednostkowe odległości
Wykres Hamminga ma 27 wierzchołków i 81 jednostkowych odległości

Każdy iloczyn kartezjański wykresów odległości jednostkowych daje inny wykres odległości jednostkowych; jednak to samo nie dotyczy niektórych innych popularnych produktów graficznych. Na przykład silny iloczyn grafów , zastosowany do dowolnych dwóch niepustych grafów, daje kompletne podgrafy z czterema wierzchołkami, które nie są grafami jednostkowej odległości. Iloczyny kartezjańskie grafów ścieżkowych tworzą grafy siatkowe o dowolnym wymiarze, iloczyny kartezjańskie pełnego grafu na dwóch wierzchołkach to grafy hipersześcianów , a iloczyny kartezjańskie grafów trójkątnych to grafy Hamminga .

Inne specyficzne wykresy, które są wykresami odległości jednostkowych, obejmują wykres Petersena , wykres Heawooda , wykres koła (jedyny wykres koła, który jest wykresem odległości jednostkowej) oraz wykres wrzeciona Mosera i wykres Golomba (małe 4- chromatyczne wykresy odległości). Wszystkie uogólnione wykresy Petersena , takie jak przedstawiony wykres Möbiusa – Kantora , są nieścisłymi wykresami odległości jednostkowych.

Wykresy zapałek to szczególny przypadek wykresów odległości jednostkowych, w których żadne krawędzie się nie przecinają. Każdy wykres zapałek jest grafem planarnym , ale niektóre inaczej płaskie wykresy odległości jednostkowych (takie jak wrzeciono Mosera) mają przecięcie w każdej reprezentacji jako wykres odległości jednostkowej. Ponadto w kontekście wykresów jednostkowych odległości termin „płaski” powinien być używany ostrożnie, ponieważ niektórzy autorzy używają go w odniesieniu do płaszczyzny, w której definiowane są odległości jednostkowe, a nie do zakazu przekraczania. Grafy groszowe są jeszcze bardziej szczególnym przypadkiem grafów jednostkowych odległości i zapałek, w których każda niesąsiadująca para wierzchołków jest oddalona od siebie o więcej niż jedną jednostkę.

Nieruchomości

Liczba krawędzi

Nierozwiązany problem z matematyki :

Ile jednostkowych odległości można określić za pomocą ?

Paul Erdős ( 1946 ) postawił problem oszacowania, ile par punktów w zbiorze znajdować się w jednostkowej odległości od siebie. Z punktu widzenia teorii grafów pytanie dotyczy tego, jak gęsty może być wykres jednostkowej odległości, a publikacja Erdősa na ten temat była jedną z pierwszych prac z zakresu teorii grafów ekstremalnych . Wykresy hipersześcianu i wykresy Hamminga zapewniają dolną granicę liczby jednostkowych odległości, proporcjonalną do Rozważając punkty na kwadratowej siatce ze starannie dobranymi odstępami, Erdős znalazł ulepszoną dolną granicę formy

za stałą i zaoferował 500 $ za dowód, czy liczba jednostkowych odległości może być również ograniczona powyżej przez funkcję tej Najbardziej znaną górną granicą tego problemu jest
Ta granica może być postrzegana jako zliczanie przypadków między punktami i okręgami jednostkowymi i jest ściśle związana z nierównością liczbową przecięcia oraz z twierdzeniem Szemerédi-Trottera o częstościach między punktami i prostymi.

Dla małych wartości 14, stan na 2022 r.) znana jest dokładna maksymalna liczba możliwych krawędzi. Dla te liczby krawędzi to:

1, 3, 5, 7, 9, 12, 14, 18, 20, 23, 27, 30, 33, ... (sekwencja A186705 w OEIS )

Zakazane subgrafy

Jeśli dany wykres nieścisłym wykresem odległości jednostkowej, nie jest nim też żaden supergraf sol . Podobny pomysł działa w przypadku grafów ścisłej odległości jednostkowej, ale przy użyciu koncepcji podgrafu indukowanego , podgrafu utworzonego ze wszystkich krawędzi między parami wierzchołków w danym podzbiorze wierzchołków. Jeśli nie jest ścisłym wykresem odległości jednostkowych, to nie jest nim żaden inny, ma jako wykres podrzędny indukowany. Ze względu na te relacje między tym, czy podgraf, czy jego supergraf jest wykresem jednostkowej odległości, możliwe jest opisanie wykresów jednostkowej odległości za pomocą ich zabronionych podgrafów . Są to grafy minimalne, które nie są grafami jednostkowej odległości danego typu. Można ich użyć do określenia, czy dany wykres odległości jednostkowej dowolnego typu. jest nieścisłym wykresem odległości jednostkowych wtedy i tylko wtedy, gdy nie jest supergrafem zabronionego wykresu dla nieścisłych wykresów odległości jednostkowych. jest ścisłym wykresem odległości jednostkowej wtedy i tylko wtedy, gdy nie jest indukowanym zabronionego wykresu dla ścisłych wykresów odległości jednostkowych

Zarówno w przypadku nieścisłych, jak i ścisłych wykresów odległości jednostkowych, wykresy zabronione obejmują zarówno pełny wykres, 3 { . K. , wszędzie tam, gdzie umieszczone są wierzchołki po stronie dwóch wierzchołków tego wykresu, w odległości jednostkowej od nich znajdują się co najwyżej dwie pozycje, w których można umieścić pozostałe trzy wierzchołki, więc niemożliwe jest umieszczenie wszystkich trzech wierzchołków w różnych punktach. Są to jedyne dwa zabronione wykresy dla nieścisłych wykresów odległości jednostkowych na maksymalnie pięciu wierzchołkach; istnieje sześć zabronionych grafów na maksymalnie siedmiu wierzchołkach i 74 na grafach do dziewięciu wierzchołków. Ponieważ sklejenie dwóch wykresów odległości jednostkowych (lub ich podgrafów) w wierzchołku daje ścisłe (odpowiednio nieścisłe) wykresy odległości jednostkowych, każdy graf zabroniony jest grafem dwupołączonym , którego nie można uformować w tym procesie klejenia.

Wykres kołowy można zrealizować jako ścisły wykres odległości jednostkowej, w którym sześć jego wierzchołków tworzy jednostkowy , a siódmy w środku sześciokąta. Usunięcie jednej z krawędzi ze środkowego wierzchołka tworzy podgraf, który nadal ma krawędzie o jednostkowej długości, ale który nie jest ścisłym wykresem jednostkowej odległości. Umieszczenie jego wierzchołków w kształcie sześciokąta foremnego jest jedynym sposobem ( do kongruencji ) umieszczenia wierzchołków w różnych miejscach, tak aby sąsiednie wierzchołki były oddalone od siebie o jednostkę, a to umieszczenie również umieszcza dwa punkty końcowe brakującej krawędzi w odległości jednostkowej . Zatem jest to wykres zabroniony dla ścisłych wykresów odległości jednostkowych, ale nie jeden z sześciu zabronionych wykresów dla nieścisłych wykresów odległości jednostkowych. Inne przykłady wykresów, które nie są ścisłymi wykresami odległości jednostkowych, ale nie są ścisłymi wykresami odległości jednostkowych, obejmują wykres utworzony przez usunięcie zewnętrznej krawędzi z i wykres z sześcioma wierzchołkami utworzony z trójkątnego pryzmatu przez usunięcie krawędzi z jednego z jego trójkątów.

Liczby algebraiczne i sztywność

Dla każdej liczby algebraicznej jest skonstruowanie wykresu odległości jednostkowej, para wierzchołków znajduje się w odległości we wszystkich odległości jednostkowej . Wynik ten implikuje skończoną wersję twierdzenia Beckmana – Quarlesa : dla dowolnych dwóch punktów w odległości siebie istnieje skończony sztywny wykres odległości jednostkowej zawierający i taki, że każda transformacja płaszczyzny, która zachowuje jednostkowe odległości na tym wykresie, zachowuje również p {\ displaystyle odległość między i . Pełne twierdzenie Beckmana – Quarlesa stwierdza, że ​​​​jedynymi przekształceniami płaszczyzny euklidesowej (lub wielowymiarowej przestrzeni euklidesowej), które zachowują jednostkowe odległości, są izometrie . Równoważnie, dla wykresu nieskończonej odległości jednostkowej generowanego przez wszystkie punkty na płaszczyźnie, wszystkie automorfizmy grafu zachowują wszystkie odległości na płaszczyźnie, a nie tylko odległości jednostkowe.

Jeśli jest liczbą algebraiczną modułu , która nie jest pierwiastkiem jedności , to całkowite kombinacje potęg tworzą skończenie wygenerowaną podgrupę grupy addytywnej liczb zespolonych , których Wykres jednostkowej odległości ma stopień nieskończony . Na przykład można wybrać jeden z dwóch pierwiastków zespolonych wielomianu , tworząc nieskończony wykres odległości jednostkowej z czterema generatorami.

Kolorowanie

Nierozwiązany problem z matematyki :

Jaka jest największa możliwa liczba chromatyczna wykresu odległości jednostkowej?

Hadwigera -Nelsona dotyczy liczby chromatycznej wykresów odległości jednostkowych, a dokładniej nieskończonego wykresu odległości jednostkowych utworzonego ze wszystkich punktów płaszczyzny euklidesowej. Zgodnie z twierdzeniem de Bruijna – Erdősa , które zakłada aksjomat wyboru , jest to równoznaczne z zapytaniem o największą liczbę chromatyczną wykresu odległości jednostek skończonych. Istnieją wykresy odległości jednostkowych wymagające pięciu kolorów w dowolnym odpowiednim kolorze, a wszystkie wykresy odległości jednostkowych można pokolorować co najwyżej siedmioma kolorami.

Siedmiokolorowy wykres nieskończonej odległości jednostkowej utworzony ze wszystkich punktów płaszczyzny oraz czterochromatyczne wrzeciono Mosera osadzone jako wykres odległości jednostkowej

Odpowiadając na inne pytanie Paula Erdősa, wykresy jednostek odległości bez trójkątów mogą wymagać czterech kolorów.

Wyliczenie

Liczba ścisłych wykresów odległości jednostkowych na wierzchołkach oznaczonych jako wynosi co najwyżej

wyrażone za pomocą notacji dużego O i notacji małego o.

Uogólnienie do wyższych wymiarów

Definicję wykresu odległości jednostkowej można oczywiście uogólnić na dowolną wielowymiarową przestrzeń euklidesową . W trzech wymiarach wykresy odległości jednostkowych punktów mają co najwyżej krawędzie, gdzie jest bardzo wolno rosnącą funkcją związaną z funkcją odwrotną Ackermanna . Wynik ten prowadzi do podobnego ograniczenia liczby krawędzi trójwymiarowych względne grafy sąsiedztwa . W czterech lub więcej wymiarach każdy kompletny wykres dwudzielny jest wykresem jednostkowej odległości, realizowanym przez umieszczenie punktów na dwóch prostopadłych okręgach o wspólnym środku, więc wykresy jednostkowej odległości mogą być grafami gęstymi . Wzory wyliczeniowe dla wykresów odległości jednostkowych uogólniają się na wyższe wymiary i pokazują, że w wymiarach czterech lub więcej liczba ścisłych wykresów odległości jednostkowych jest znacznie większa niż liczba podgrafów wykresów odległości jednostkowych.

Dowolny wykres skończony może być osadzony jako wykres jednostkowej odległości w wystarczająco dużym wymiarze. Niektóre wykresy mogą wymagać bardzo różnych wymiarów osadzania, takich jak nieścisłe wykresy odległości jednostkowych i ścisłe wykresy odległości jednostkowych. Na przykład wykres korony wierzchołków być osadzony w czterech wymiarach jako nieścisły wykres odległości jednostkowej (to znaczy tak, że wszystkie jego krawędzie mają długość jednostkową Wymaga to jednak co najmniej wymiary mają być osadzone jako ścisły wykres odległości jednostkowej, tak aby jego krawędzie były jedynymi parami jednostka-odległość. Wymiar potrzebny do zrealizowania dowolnego wykresu jako ścisłego wykresu jednostkowego jest co najwyżej dwukrotnością maksymalnego stopnia.

Złożoność obliczeniowa

Skonstruowanie wykresu odległości jednostkowej z jego punktów jest ważnym krokiem dla innych algorytmów znajdowania przystających kopii jakiegoś wzorca w większym zbiorze punktów. Algorytmy te wykorzystują tę konstrukcję do wyszukiwania pozycji kandydujących, w których występuje jedna z odległości we wzorcu, a następnie używają innych metod do testowania reszty wzorca dla każdego kandydata. metodę Matouška (1993) , uzyskując algorytm znajdowania wykresu jednostkowego odległości płaskiego zbioru punktów w czasie gdzie jest wolno rosnącą iterowaną funkcją logarytmiczną .

Testowanie, czy dany wykres jest (ścisłym czy nieścisłym) jednostkowym wykresem odległości na płaszczyźnie, jest NP-trudne , a dokładniej kompletne dla egzystencjalnej teorii liczb rzeczywistych . Jest również NP-zupełne , aby określić, czy płaski wykres odległości jednostkowej ma cykl Hamiltona , nawet jeśli wszystkie wierzchołki wykresu mają znane współrzędne całkowite.

Notatki

Źródła

Linki zewnętrzne