stringtranslate.com

Ориентированный матроид

Теория ориентированных матроидов допускает комбинаторный подход к теореме о максимальном потоке и минимальном разрезе . Сеть со значением потока, равным пропускной способности разреза st

Ориентированный матроид — это математическая структура , которая абстрагирует свойства направленных графов , векторных расположений над упорядоченными полями и гиперплоскостных расположений над упорядоченными полями . [1] Для сравнения, обычный (т.е. неориентированный) матроид абстрагирует свойства зависимости , которые являются общими как для графов , которые не обязательно направлены , так и для расположений векторов над полями , которые не обязательно упорядочены . [2] [3]

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 .

История

Первое упоминание ориентированных матроидов было в статье Джорджа Дж. Минти 1966 года и ограничивалось регулярными матроидами . [5]

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 .

Члены называются положительными элементами ; члены — отрицательными элементами .

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 .

Векторные аксиомы

Композиция знаковых множеств и есть знаковое множество, определяемое , , и . Векторы ориентированного матроида являются композициями цепей. Векторы ориентированного матроида удовлетворяют следующим аксиомам:

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:

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.

Направленный граф

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

Это пример псевдолинейной компоновки, которая отличается от любой линейной компоновки.

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.

Геометрия

Сложение Минковского четырех отрезков. Левая панель отображает четыре набора, которые отображаются в массиве два на два. Каждый из наборов содержит ровно две точки, которые отображаются красным цветом. В каждом наборе две точки соединены розовым отрезком, который является выпуклой оболочкой исходного набора. Каждый набор имеет ровно одну точку, которая обозначена символом плюс. В верхней строке массива два на два символ плюс лежит внутри отрезка; в нижней строке символ плюс совпадает с одной из красных точек. Это завершает описание левой панели диаграммы. Правая панель отображает сумму Минковского наборов, которая является объединением сумм, имеющих ровно одну точку из каждого набора слагаемых; для отображаемых наборов шестнадцать сумм являются различными точками, которые отображаются красным цветом: Правые красные точки суммы являются суммами левых красных точек слагаемых. Выпуклая оболочка шестнадцати красных точек закрашена розовым. В розовой внутренней части правого набора сумм лежит ровно один плюс-символ, который является (уникальной) суммой плюс-символов с правой стороны. Правый плюс-символ на самом деле является суммой четырех плюс-символов из левых наборов, ровно двух точек из исходных невыпуклых наборов слагаемых и двух точек из выпуклых оболочек оставшихся наборов слагаемых.
Зонотоп, который является суммой Минковского отрезков прямых, является фундаментальной моделью для ориентированных матроидов. Шестнадцать темно-красных точек (справа) образуют сумму Минковского четырех невыпуклых множеств (слева), каждое из которых состоит из пары красных точек. Их выпуклые оболочки (закрашенные розовым) содержат знаки плюс (+): Правый знак плюс является суммой левых знаков плюс.

Теория ориентированных матроидов оказала влияние на развитие комбинаторной геометрии , особенно на теорию выпуклых многогранников , зонотопов и конфигураций векторов (эквивалентно, расположений гиперплоскостей ). [12] Многие результаты — теорема Каратеодори , теорема Хелли , теорема Радона , теорема Хана–Банаха , теорема Крейна–Мильмана , лемма Фаркаша — могут быть сформулированы с использованием соответствующих ориентированных матроидов. [13]

Оптимизация

В выпуклой геометрии симплексный алгоритм линейного программирования интерпретируется как отслеживание пути по вершинам выпуклого многогранника. Ориентированная теория матроидов изучает комбинаторные инварианты, которые выявляются в знаковых моделях матриц, появляющихся при обмене базами алгоритмов поворота.

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]

Теория ориентированных матроидов привела к прорывам в комбинаторной оптимизации . В линейном программировании это был язык, на котором Роберт Г. Блэнд сформулировал свое правило поворота , с помощью которого симплексный алгоритм избегает циклов. Аналогично, его использовали Терлаки и Чжан, чтобы доказать, что их перекрестные алгоритмы имеют конечное завершение для задач линейного программирования . Аналогичные результаты были получены в выпуклом квадратичном программировании Тоддом и Терлаки. [15] Он был применен к линейно-дробному программированию , [16] задачам квадратичного программирования и задачам линейной комплементарности . [17] [18] [19]

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.

Ссылки

  1. ^ Р. Тиррелл Рокафеллар, 1969. Андерс Бьорнер и др., Главы 1-3. Юрген Боковский, Глава 1. Гюнтер М. Циглер , Глава 7.
  2. ^ Бьёрнер и др., Главы 1-3. Боковский, Главы 1–4.
  3. ^ 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.
  4. ^ Бьорнер и др., Глава 7.9.
  5. ^ 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.
  6. ^ Бьорнер и др., Глава 3.5.
  7. ^ * Бьёрнер, Андерс ; Лас Верньяс, Мишель ; Штурмфельс, Бернд ; Уайт, Нил; Циглер, Гюнтер (1999). Ориентированные матроиды . Энциклопедия математики и ее приложений. Т. 46 (2-е изд.). Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-77750-6. OCLC  776950824. Збл  0944.52006.
  8. ^ Бьёрнер и др., Глава 7.9.
  9. ^ Бьёрнер и др., Глава 3.4.
  10. ^ Бьёрнер и др., Глава 3.6.
  11. ^ Бьёрнер и др., Глава 5.2.
  12. ^ Бахем и Керн, главы 1–2 и 4–9. Бьёрнер и др., главы 1–8. Циглер, главы 7–8. Боковский, главы 7–10.
  13. ^ Бахем и Ванка, главы 1–2, 5, 7–9. Бьорнер и др., Глава 8.
  14. ^ 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.
  15. ^ Бьорнер и др., Главы 8–9. Фукуда и Терлаки. Сравните Циглера.
  16. ^ Иллес, Ширмаи и Терлаки (1999)
  17. ^ Фукуда и Терлаки (1997)
  18. ^ Фукуда и Терлаки (1997, стр. 385)
  19. ^ Фукуда и Намики (1994, стр. 367)
  20. ^ Рокафеллар 1984 и 1998.
  21. ^ Лоулер. Рокафеллар 1984 и 1998.


Дальнейшее чтение

Книги

Статьи

В сети

Внешние ссылки