Все ориентированные матроиды имеют базовый матроид . Таким образом, результаты для обычных матроидов могут быть применены к ориентированным матроидам. Однако обратное неверно ; некоторые матроиды не могут стать ориентированными матроидами, ориентируя базовую структуру (например, схемы или независимые множества). [4]
Различие между матроидами и ориентированными матроидами обсуждается ниже.
Матроиды часто полезны в таких областях, как теория размерности и алгоритмы . Благодаря включению в ориентированный матроид дополнительных деталей об ориентированной природе структуры, его полезность распространяется далее на несколько областей, включая геометрию и оптимизацию .
Впоследствии RT Rockefellar (1969) предложил задачу обобщения концепции Минти на вещественные векторные пространства. Его предложение помогло привести к разработке общей теории.
Фон
Чтобы абстрагировать концепцию ориентации на ребрах графа к множествам, необходимо иметь возможность назначать «направление» элементам множества. Это достигается следующим определением знаковых множеств .
Знаковый набор , , объединяет набор объектов, , с упорядоченным двукратным разбиением этого набора на два непересекающихся подмножества: и .
Члены называются положительными элементами ; члены — отрицательными элементами .
Набор называется поддержкой .
Пустое знаковое множество , , определяется как пустое множество, объединенное с (упорядоченным) его двуразделом на два пустых множества: и .
Знаковое множество противоположно , записано , если и
При наличии элемента поддержки мы запишем для положительного элемента и для отрицательного элемента. Таким образом, знаковый набор просто добавляет отрицательные знаки к выделенным элементам. Это будет иметь смысл как «направление» только тогда, когда мы рассмотрим ориентации более крупных структур. Тогда знак каждого элемента будет кодировать его направление относительно этой ориентации.
Аксиоматизации
Как и в случае с обычными матроидами, существует несколько эквивалентных систем аксиом . (Такие структуры, обладающие несколькими эквивалентными аксиоматизациями, называются криптоморфными .)
Аксиомы схемы
Пусть будет любым набором. Мы называем базовым набором . Пусть будет набором знаковых наборов , каждый из которых поддерживается подмножеством . Если следующие аксиомы верны для , то эквивалентно является набором знаковых схем
для ориентированного матроида на .
(С0)
(С1) (симметричный)
(C2) (несравненный)
(C3) (слабое исключение)
Векторные аксиомы
Композиция знаковых множеств и есть знаковое множество, определяемое , , и . Векторы ориентированного матроида являются композициями цепей. Векторы ориентированного матроида удовлетворяют следующим аксиомам:
для всех ,
для всех , и , существует , такой что
,
, и
.
Ковекторы ориентированного матроида являются векторами его двойственно ориентированного матроида .
Аксиомы хиротопа
Пусть будет как выше. Для каждого неотрицательного целого числа хиротоп ранга — это функция , которая удовлетворяет следующим аксиомам:
(B0) (нетривиально) : не является тождественно нулем
(B1) (чередование) : Для любой перестановки и , , где — знак перестановки.
(B2) (обмен) : Для любого такого, что для каждого , тогда мы также имеем .
Термин «хиротоп» происходит от математического понятия хиральности , которое представляет собой концепцию, взятую из химии , где оно используется для различения молекул, имеющих одинаковую структуру, за исключением отражения.
Эквивалентность
Каждый хиротоп ранга порождает набор баз матроида на , состоящий из тех подмножеств -элементов, которые присваивают ненулевое значение. [6] Хиротоп затем может подписать контуры этого матроида. Если является контуром описанного матроида, то где является базисом. Тогда может быть подписано положительными элементами
и отрицательные элементы — дополнение. Таким образом, хиротоп порождает ориентированные базы ориентированного матроида. В этом смысле (B0) — непустая аксиома для баз, а (B2) — свойство обмена баз.
Примеры
Ориентированные матроиды часто вводятся (например, Бахемом и Керном) как абстракция для ориентированных графов или систем линейных неравенств. Ниже приведены явные конструкции.
Направленные графы
Для заданного орграфа мы определяем знаковый контур из стандартного контура графа следующим способом. Носителем знакового контура является стандартный набор ребер в минимальном цикле. Мы идем по циклу по часовой стрелке или против часовой стрелки, назначая те ребра, ориентация которых согласуется с направлением, положительным элементам , а те ребра, ориентация которых не согласуется с направлением, отрицательным элементам . Если — множество всех таких , то — множество знаковых контуров ориентированного матроида на множестве ребер ориентированного графа.
Если мы рассмотрим ориентированный граф справа, то увидим, что существует только два контура, а именно и . Тогда существует только четыре возможных знаковых контура, соответствующих ориентациям по часовой стрелке и против часовой стрелки, а именно , , , и . Эти четыре набора образуют набор знаковых контуров ориентированного матроида на множестве .
Линейная алгебра
Если — любое конечное подмножество , то множество минимальных линейно зависимых множеств образует множество схем матроида на . Чтобы распространить эту конструкцию на ориентированные матроиды, для каждой схемы существует минимальная линейная зависимость
с . Тогда знаковая схема имеет положительные элементы и отрицательные элементы . Множество всех таких элементов образует множество знаковых схем ориентированного матроида на . Ориентированные матроиды, которые могут быть реализованы таким образом, называются представимыми .
Учитывая тот же набор векторов , мы можем определить тот же ориентированный матроид с хиротопом . Для любого пусть
где правая часть уравнения — знак определителя . Тогда — хиротоп того же ориентированного матроида на множестве .
Гиперплоскостные конфигурации
Реальное расположение гиперплоскостей — это конечный набор гиперплоскостей в , каждая из которых содержит начало координат. Выбрав одну сторону каждой гиперплоскости в качестве положительной стороны, мы получаем расположение полупространств. Расположение полупространств разбивает окружающее пространство на конечный набор ячеек, каждая из которых определяется тем, на какой стороне каждой гиперплоскости она находится. То есть, назначает каждую точку знаковому набору с , если находится на положительной стороне , и если находится на отрицательной стороне . Этот набор знаковых наборов определяет набор ковекторов ориентированного матроида, которые являются векторами двойственного ориентированного матроида. [7]
Выпуклый многогранник
Гюнтер М. Циглер вводит ориентированные матроиды через выпуклые многогранники.
Результаты
Ориентируемость
Стандартный матроид называется ориентируемым, если его контуры являются опорами знаковых контуров некоторого ориентированного матроида. Известно, что все вещественные представимые матроиды ориентируемы. Известно также, что класс ориентируемых матроидов замкнут относительно взятия миноров , однако известно, что список запрещенных миноров для ориентируемых матроидов бесконечен. [8] В этом смысле ориентированные матроиды являются гораздо более строгой формализацией, чем регулярные матроиды.
Двойственность
Так же, как матроид имеет уникальный дуал , ориентированный матроид имеет уникальный дуал, часто называемый его «ортогональным дуалом». Это означает, что базовые матроиды являются дуалами, а косхемы подписаны так, что они «ортогональны» каждой схеме. Два знаковых множества называются ортогональными , если пересечение их носителей пусто или если ограничение их положительных элементов на пересечение и отрицательных элементов на пересечение образуют два неидентичных и непротивоположных знаковых множества. Существование и уникальность двойственного ориентированного матроида зависит от того факта, что каждая знаковая схема ортогональна каждой знаковой косхеме. [9]
Чтобы увидеть, почему ортогональность необходима для уникальности, достаточно взглянуть на пример орграфа выше. Мы знаем, что для планарных графов дуальный матроид контура является матроидом контура планарного дуального графа . Таким образом, существует столько же различных дуальных пар ориентированных матроидов, основанных на матроиде графа, сколько существует способов сориентировать граф и соответствующим образом его дуальный.
Чтобы увидеть явное построение этого уникального ортогонального дуально ориентированного матроида, рассмотрим хиротоп ориентированного матроида . Если мы рассматриваем список элементов как циклическую перестановку, то мы определяем быть знаком соответствующей перестановки. Если определяется как
тогда это хиротоп уникального ортогонального дуально ориентированного матроида. [10]
Топологическое представление
Не все ориентированные матроиды представимы, то есть не все имеют реализации в виде точечных конфигураций или, что эквивалентно, гиперплоскостных расположений. Однако в некотором смысле все ориентированные матроиды близки к тому, чтобы иметь реализации в виде гиперплоскостных расположений. В частности, теорема о топологическом представлении Фолкмана–Лоуренса утверждает, что любой ориентированный матроид имеет реализацию в виде расположения псевдосфер . -мерная псевдосфера является вложением , при котором существует гомеоморфизм , такой что вкладывается в качестве экватора . В этом смысле псевдосфера — это просто ручная сфера (в отличие от диких сфер ). Расположение псевдосфер в представляет собой набор псевдосфер, пересекающихся вдоль псевдосфер. Наконец, теорема о топологическом представлении Фолкмана–Лоуренса утверждает, что каждый ориентированный матроид ранга может быть получен из расположения псевдосфер в . [11] Он назван в честь Джона Фолкмана и Джима Лоуренса, которые опубликовали его в 1978 году.
Разработка системы аксиом для ориентированных матроидов была инициирована Р. Тирреллом Рокафелларом для описания знаковых моделей матриц, возникающих в результате поворотных операций симплексного алгоритма Данцига; Рокафеллар был вдохновлен исследованиями Альберта В. Такера таких знаковых моделей в «таблицах Такера». [14]
За пределами комбинаторной оптимизации ориентированная теория матроидов также появляется в выпуклой минимизации в теории Рокафеллара «монотропного программирования» и связанных с ней понятиях «укрепленного спуска». [20] Аналогичным образом теория матроидов повлияла на разработку комбинаторных алгоритмов, в частности жадного алгоритма . [21] В более общем смысле жадоид полезен для изучения конечного завершения алгоритмов.
^ Поскольку матроиды и ориентированные матроиды являются абстракциями других математических абстракций, почти все соответствующие книги написаны для ученых-математиков, а не для широкой публики. Для изучения ориентированных матроидов хорошей подготовкой будет изучение учебника по линейной оптимизации Неринга и Такера, который пронизан идеями ориентированных матроидов, а затем перейти к лекциям Циглера по многогранникам.
^ Бьорнер и др., Глава 7.9.
^ GJ Minty (1966), Об аксиоматических основах теорий направленных линейных графов, электрических сетей и сетевого программирования. J. Math. Mech. 15: 485–520. Перепечатано в DR Fulkerson, ed., Graph Theory , MAA Study No. 12, Mathematical Association of America.
^ Бахем и Керн, главы 1–2 и 4–9. Бьёрнер и др., главы 1–8. Циглер, главы 7–8. Боковский, главы 7–10.
^ Бахем и Ванка, главы 1–2, 5, 7–9. Бьорнер и др., Глава 8.
^ Rockafellar, R. Tyrrell (1969). "Элементарные векторы подпространства R N {\displaystyle R^{N}} (1967)" (PDF) . В RC Bose ; Thomas A. Dowling (ред.). Комбинаторная математика и ее приложения . Серия монографий Университета Северной Каролины по теории вероятностей и статистике. Чапел-Хилл, Северная Каролина: Издательство Университета Северной Каролины. стр. 104–127. MR 0278972.
^ Бьорнер и др., Главы 8–9. Фукуда и Терлаки. Сравните Циглера.
Фолкман, Джон ; Лоуренс, Джим (октябрь 1978 г.). «Ориентированные матроиды». Журнал комбинаторной теории . Серия B. 25 (2): 199–236. doi : 10.1016/0095-8956(78)90039-4 .
Фукуда, Комей ; Терлаки, Тамас (1997). Томас М. Либлинг; Доминик де Верра (ред.). «Методы крест-накрест: свежий взгляд на алгоритмы поворота» (PDF) . Математическое программирование, серия B. 79 ( 1–3). Амстердам: North-Holland Publishing Co.: 369–395. doi :10.1007/BF02614325. MR 1464775. S2CID 2794181.
Фукуда, Комей ; Намики, Макото (март 1994 г.). «Об экстремальном поведении метода наименьшего индекса Мурти». Математическое программирование . 64 (1): 365–370. doi :10.1007/BF01582581. MR 1286455. S2CID 21476636.
Иллес, Тибор; Ширмаи, Акос; Терлаки, Тамаш (1999). «Метод конечного креста для гиперболического программирования». Европейский журнал операционных исследований . 114 (1): 198–214. CiteSeerX 10.1.1.36.7090 . дои : 10.1016/S0377-2217(98)00049-6. ISSN 0377-2217.
Р. Тиррелл Рокафеллар (1969). Элементарные векторы подпространства , в книге «Комбинаторная математика и ее приложения» , RC Bose и TA Dowling (ред.), Univ. of North Carolina Press, стр. 104–127.
Roos, C. (1990). "Экспоненциальный пример правила поворота Терлаки для метода симплекса крест-накрест". Математическое программирование . Серия A. 46 (1): 79–84. doi :10.1007/BF01585729. MR 1045573. S2CID 33463483.
Терлаки, Т. (1985). «Сходящийся метод крест-накрест». Оптимизация: Журнал математического программирования и исследования операций . 16 (5): 683–690. doi :10.1080/02331938508843067. ISSN 0233-1934. MR 0798939.
Терлаки, Тамаш (1987). "Конечный метод перекрестных вычислений для ориентированных матроидов". Журнал комбинаторной теории . Серия B. 42 (3): 319–327. doi : 10.1016/0095-8956(87)90049-9 . ISSN 0095-8956. MR 0888684.
Терлаки, Тамаш; Чжан, Шу Чжун (1993). «Правила осевого программирования для линейного программирования: обзор последних теоретических разработок». Annals of Operations Research . 46–47 (1): 203–233. CiteSeerX 10.1.1.36.7658 . doi :10.1007/BF02096264. ISSN 0254-5330. MR 1260019. S2CID 6058077.
Тодд, Майкл Дж. (1985). «Линейное и квадратичное программирование в ориентированных матроидах». Журнал комбинаторной теории . Серия B. 39 (2): 105–133. doi : 10.1016/0095-8956(85)90042-5 .
Ван, Чжэ Минь (1987). «Конечный свободный от конформного исключения алгоритм над ориентированным матроидным программированием». Китайские анналы математики (Shuxue Niankan B Ji) . Серия B. 8 (1): 120–125. ISSN 0252-9599. MR 0886756.
В сети
Циглер, Гюнтер (1998). «Ориентированные матроиды сегодня». Электронный журнал комбинаторики : DS4: 10 сентября–1998. doi :10.37236/25.
Malkevitch, Joseph. "Oriented Matroids: The Power of Unification". Feature Column . American Mathematical Society . Получено 14.09.2009 .
Внешние ссылки
Комей Фукуда (ETH Zentrum, Цюрих) с публикациями, включая «Ориентированное матроидное программирование» (кандидатская диссертация 1982 г.)