stringtranslate.com

График Халина

Граф Халина с 21 вершиной
Граф Халина

В теории графов граф Халина — это тип планарного графа , построенного путем соединения листьев дерева в цикл. Дерево должно иметь не менее четырех вершин, ни одна из которых не имеет ровно двух соседей; оно должно быть нарисовано на плоскости так , чтобы ни одно из его ребер не пересекалось (это называется планарным вложением ), а цикл соединяет листья в их порядке по часовой стрелке в этом вложении. Таким образом, цикл образует внешнюю грань графа Халина с деревом внутри него. [1]

Графы Халина названы в честь немецкого математика Рудольфа Халина , который изучал их в 1971 году. [ 2] Кубические графы Халина — те, в которых каждая вершина касается ровно трех ребер — уже были изучены более века назад Киркманом . [ 3] Графы Халина являются многогранными графами , что означает, что каждый граф Халина может быть использован для формирования вершин и ребер выпуклого многогранника , а многогранники, образованные из них, были названы многогранниками без крыши или куполами .

Каждый граф Халина имеет гамильтонов цикл через все его вершины, а также циклы почти всех длин вплоть до числа вершин графа. Графы Халина могут быть распознаны за линейное время . Поскольку графы Халина имеют низкую древовидную ширину , многие вычислительные задачи, которые сложны для других видов планарных графов, такие как поиск гамильтоновых циклов, могут быть быстро решены на графах Халина.

Примеры

Звезда — это дерево с ровно одной внутренней вершиной. Применение построения графа Халина к звезде дает граф-колесо , граф (ребер) пирамиды . [4] Граф треугольной призмы также является графом Халина: его можно нарисовать так, чтобы одна из его прямоугольных граней была внешним циклом, а оставшиеся ребра образовывали дерево с четырьмя листьями, двумя внутренними вершинами и пятью ребрами. [5]

Граф Фрухта , один из пяти наименьших кубических графов без нетривиальных автоморфизмов графа , [6] также является графом Халина. [7]

Характеристики

Каждый граф Халина является 3-связным , что означает, что невозможно удалить из него две вершины и разъединить оставшиеся вершины. Он является рёберно-минимальным 3-связным, что означает, что если удалить любое из его ребер, оставшийся граф больше не будет 3-связным. [1] По теореме Штейница , как 3-связный планарный граф, он может быть представлен как множество вершин и рёбер выпуклого многогранника ; то есть, это многогранный граф . Многогранник, который реализует граф, может быть выбран так, что грань, содержащая все листья дерева, будет горизонтальной, а все остальные грани лежат над ней с равными наклонами. [8] Как и в случае с каждым многогранным графом, графы Халина имеют уникальное планарное вложение, с точностью до выбора того, какая из его граней должна быть внешней гранью. [1]

Каждый граф Халина является гамильтоновым графом , и каждое ребро графа принадлежит гамильтонову циклу . Более того, любой граф Халина остается гамильтоновым после удаления любой вершины. [9] Поскольку каждое дерево без вершин степени 2 содержит два листа, которые имеют одного и того же родителя, каждый граф Халина содержит треугольник. В частности, граф Халина не может быть графом без треугольников или двудольным графом . [10]

Граф Халина с одной гранью из 16 вершин, двумя гранями из 10 вершин и всеми остальными гранями, имеющими от 3 до 5 вершин
Граф Халина без каких-либо 8-циклов. Подобная конструкция позволяет избежать любой одиночной четной длины цикла. [11]

Более строго, каждый граф Халина почти панцикличен , в том смысле, что он имеет циклы всех длин от 3 до n, за исключением, возможно, одной четной длины. Более того, любой граф Халина остается почти панциклическим, если одно ребро стягивается, и каждый граф Халина без внутренних вершин степени три является панциклическим. [12]

Инцидентное хроматическое число графа Халина G с максимальной степенью Δ( G ) больше четырех равно Δ( G ) + 1 . [13] Это число цветов, необходимое для раскраски всех пар ( v , e ), где v — вершина графа, а e — ребро, инцидентное v , с соблюдением определенных ограничений на раскраску. Пары, которые имеют общую вершину или общее ребро, не могут иметь одинаковый цвет. Кроме того, пара ( v , e ) не может иметь тот же цвет, что и другая пара, которая использует другую конечную точку e . Для графов Халина с Δ( G ) = 3 или 4 инцидентное хроматическое число может достигать 5 или 6 соответственно. [14]

Сложность вычислений

Можно проверить, является ли заданный n -вершинный граф графом Халина за линейное время , найдя планарное вложение графа (если оно существует), а затем проверив, существует ли грань, имеющая по крайней мере n / 2 + 1 вершин, все степени три. Если это так, то может быть не более четырех таких граней, и для каждой из них можно проверить за линейное время, образует ли остальная часть графа дерево с вершинами этой грани в качестве его листьев. С другой стороны, если такой грани не существует, то граф не является графом Халина. [15] Альтернативно, граф с n вершинами и m ребрами является графом Халина тогда и только тогда, когда он планарный, 3-связный и имеет грань, число вершин которой равно рангу цепи mn + 1 графа, все из которых можно проверить за линейное время. [16] Другие методы распознавания графов Халина за линейное время включают применение теоремы Курселя или метод, основанный на переписывании графа , ни один из которых не полагается на знание планарного вложения графа. [17]

Каждый граф Халина имеет древовидную ширину = 3. [18] Поэтому многие задачи оптимизации графов, которые являются NP-полными для произвольных планарных графов, такие как нахождение максимального независимого множества , могут быть решены за линейное время на графах Халина с использованием динамического программирования [19] или теоремы Курселя, или в некоторых случаях (таких как построение гамильтоновых циклов ) с помощью прямых алгоритмов. [17] Однако NP-полной является задача нахождения наибольшего подграфа Халина заданного графа, проверка того, существует ли подграф Халина, включающий все вершины заданного графа, или проверка того, является ли заданный граф подграфом большего графа Халина. [20]

История

В 1971 году Халин представил графы Халина как класс графов с минимальным количеством вершин 3: для каждого ребра в графе удаление этого ребра уменьшает связность графа. [2] Эти графы приобрели значение с открытием того, что многие алгоритмические проблемы, которые были вычислительно невыполнимы для произвольных планарных графов, могли быть эффективно решены на них. [9] [16] Позднее этот факт был объяснен как следствие их низкой древовидной ширины и алгоритмических метатеорем, таких как теорема Курселя , которые предоставляют эффективные решения этих проблем на любом графе с низкой древовидной шириной. [18] [19]

До работы Халина над этими графами, проблемы перечисления графов, касающиеся кубических (или 3-регулярных ) графов Халина, изучались в 1856 году Томасом Киркманом [3] и в 1965 году Гансом Радемахером . Радемахер называет эти графы основанными на многогранниках . Он определяет их как кубические многогранные графы с f гранями, в которых одна из граней имеет f − 1 сторон. [21] Графы, которые соответствуют этому определению, являются в точности кубическими графами Халина. [22]

Вдохновленные тем фактом, что и графы Халина, и 4-вершинно-связанные планарные графы содержат гамильтоновы циклы, Ловас и Пламмер (1974) предположили, что каждый 4-вершинно-связанный планарный граф содержит остовной подграф Халина; здесь «остовной» означает, что подграф включает все вершины большего графа. Гипотеза Ловаса–Пламмера оставалась открытой до 2015 года, когда была опубликована конструкция для бесконечного числа контрпримеров. [23]

Графы Халина иногда также называют деревьями с юбкой [11] или многогранниками без крыши . [9] Однако эти названия неоднозначны. Некоторые авторы используют название «деревья с юбкой» для обозначения планарных графов, образованных из деревьев путем соединения листьев в цикл, но не требуя, чтобы внутренние вершины дерева имели степень три или более. [24] И как и «основанные многогранники», название «многогранники без крыши» может также относиться к кубическим графам Халина. [22] Выпуклые многогранники , графы которых являются графами Халина, также называются куполами . [25]

Ссылки

  1. ^ abc Encyclopaedia of Mathematics , первый дополнительный том, 1988, ISBN  0-7923-4709-9 , стр. 281, статья «Граф Халина» и ссылки в ней.
  2. ^ ab Halin, R. (1971), «Исследования минимально n -связных графов», Combinatori Mathematics and its Applications (Proc. Conf., Oxford, 1969) , London: Academic Press, стр. 129–136, MR  0278980.
  3. ^ ab Kirkman, Th. P. (1856), «О перечислении x -эдрических многогранников, имеющих триерические вершины и ( x − 1 )-угольное основание», Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 146 : 399–411, doi : 10.1098/rstl.1856.0018 , JSTOR  108592.
  4. ^ Корнуэжоль, Наддеф и Пуллибланк (1983): «Если T — звезда, т. е. один узел v, соединенный с n другими узлами, то H называется колесом и является простейшим типом графа Халина».
  5. См. Sysło & Proskurowski (1983), Prop. 4.3, стр. 254, где треугольная призма определяется как уникальный граф с ровно тремя циклами, которые могут быть внешним циклом реализации в виде графа Халина.
  6. ^ Буссемейкер, ФК; Кобелжич, С.; Цветкович, ДМ; Зайдель, Дж. Дж. (1976), «Компьютерное исследование кубических графов», Исследовательский портал Эйндховенского технологического университета , отчет EUT, 76-WSK-01, Кафедра математики и вычислительной техники, Эйндховенский технологический университет
  7. ^ Вайсштейн, Эрик В. , «График Халина», MathWorld
  8. ^ Айххольцер, Освин; Ченг, Ховард; Девадосс, Сатьян Л.; Хакл, Томас; Хубер, Стефан; Ли, Брайан; Ристески, Андрей (2012), «Что делает дерево прямым скелетом?» (PDF) , Труды 24-й Канадской конференции по вычислительной геометрии (CCCG'12)
  9. ^ abc Cornuéjols, G .; Naddef, D.; Pulleyblank, WR (1983), «Графы Халина и задача коммивояжера», Математическое программирование , 26 (3): 287–294, doi :10.1007/BF02591867, S2CID  26278382.
  10. См. доказательство теоремы 10 в Wang, Weifan; Bu, Yuehua; Montassier, Mickaël; Raspaud, André (2012), "On backbone coloring of graphs", Journal of Combinatori Optimization , 23 (1): 79–93, doi :10.1007/s10878-010-9342-6, MR  2875236, S2CID  26975523: «Поскольку G содержит 3-цикл, состоящий из одной внутренней вершины и двух внешних вершин, G не является двудольным графом».
  11. ^ ab Malkevitch, Joseph (1978), "Длины циклов в многогранных графах", Теория и приложения графов (Proc. Internat. Conf., Western Mich. Univ., Kalamazoo, Mich., 1976) , Lecture Notes in Mathematics, т. 642, Berlin: Springer, стр. 364–370, doi :10.1007/BFb0070393, ISBN 978-3-540-08666-6, МР  0491287
  12. ^ Сковронская, Мирослава (1985), «Панцикличность графов Халина и их внешние сокращения», в Alspach, Brian R .; Godsil, Christopher D. (ред.), Cycles in Graphs , Annals of Discrete Mathematics, т. 27, Elsevier Science Publishers BV, стр. 179–194.
  13. ^ Ван, Шу-Донг; Чен, Донг-Лин; Пан, Шань-Чен (2002), «Число инцидентной раскраски графов Халина и внешнепланарных графов», Дискретная математика , 256 (1–2): 397–405, doi :10.1016/S0012-365X(01)00302-8, MR  1927561.
  14. ^ Шиу, WC; Сан, PK (2008), «Недействительные доказательства инцидентной раскраски», Дискретная математика , 308 (24): 6575–6580, doi : 10.1016/j.disc.2007.11.030 , MR  2466963.
  15. ^ Фомин, Федор В.; Тиликос, Димитриос М. (2006), "3-аппроксимация для ширины пути графов Халина", Журнал дискретных алгоритмов , 4 (4): 499–510, doi : 10.1016/j.jda.2005.06.004 , MR  2577677.
  16. ^ ab Sysło, Maciej M.; Proskurowski, Andrzej (1983), "О графах Халина", Теория графов: Труды конференции, состоявшейся в Лагуве, Польша, 10–13 февраля 1981 г. , Lecture Notes in Mathematics, т. 1018, Springer-Verlag, стр. 248–256, doi :10.1007/BFb0071635.
  17. ^ ab Эппштейн, Дэвид (2016), «Простое распознавание графов Халина и их обобщений», Журнал графовых алгоритмов и приложений , 20 (2): 323–346, arXiv : 1502.05334 , doi : 10.7155/jgaa.00395, S2CID  9525753.
  18. ^ ab Bodlaender, Hans (1988), Планарные графы с ограниченной древовидной шириной (PDF) , Технический отчет RUU-CS-88-14, Кафедра компьютерных наук, Утрехтский университет , архивировано из оригинала (PDF) 28 июля 2004 г..
  19. ^ ab Bodlaender, Hans (1988), "Динамическое программирование на графах с ограниченной древовидной шириной", Труды 15-го Международного коллоквиума по автоматам, языкам и программированию , Lecture Notes in Computer Science, т. 317, Springer-Verlag, стр. 105–118, doi :10.1007/3-540-19488-6_110, hdl : 1874/16258 , ISBN 978-3540194880.
  20. ^ Хортон, СБ; Паркер, Р. Гэри (1995), «О подграфах и суперграфах Халина», Дискретная прикладная математика , 56 (1): 19–35, doi : 10.1016/0166-218X(93)E0131-H , MR  1311302.
  21. ^ Радемахер, Ганс (1965), «О числе некоторых типов многогранников», Illinois Journal of Mathematics , 9 (3): 361–380, doi : 10.1215/ijm/1256068140 , MR  0179682.
  22. ^ ab Lovász, L. ; Plummer, MD (1974), "О семействе планарных бикритических графов", Combinatorics (Proc. British Combinatoric Conf., Univ. Coll. Wales, Aberystwyth, 1973) , London: Cambridge Univ. Press, стр. 103–107. London Math. Soc. Lecture Note Ser., № 13, MR  0351915.
  23. ^ Чен, Гуантао; Эномото, Хикое; Озеки, Кента; Цучия, Сёичи (2015), «Плоские триангуляции без остовного подграфа Халина: контрпримеры к гипотезе Ловаса-Пламмера о графах Халина», SIAM Journal on Discrete Mathematics , 29 (3): 1423–1426, doi :10.1137/140971610, MR  3376776.
  24. ^ Сковронская, М.; Сысло, М. М. (1987), "Гамильтоновы циклы в окаймленных деревьях", Труды Международной конференции по комбинаторному анализу и его приложениям (Покршивна, 1985), Zastos. Mat. , 19 (3–4): 599–610 (1988), MR  0951375
  25. ^ Демейн, Эрик Д .; Демейн, Мартин Л .; Уэхара, Рюхей (2013), «Развертывание куполов и призмоид с помощью молнии», Труды 25-й Канадской конференции по вычислительной геометрии (CCCG 2013), Ватерлоо, Онтарио, Канада, 8–10 августа 2013 г., стр. 43–48.

Внешние ссылки