Многочлен Татта — различия между версиями
(→Универсальное свойство многочлена Татта) |
м (rollbackEdits.php mass rollback) |
||
(не показано 37 промежуточных версий 4 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
− | == | + | '''Многочлен Татта''' — наиболее общая характеристика, описывающая комбинаторные свойства графа. |
+ | |||
+ | ==Основное определение== | ||
{{Определение|definition= | {{Определение|definition= | ||
− | Рассмотрим граф <tex> G </tex>, возможно c петлями и кратными рёбрами. Определим '''многочлен Татта''' <tex> T_G (x, y) </tex> следующими рекурсивными соотношениями: | + | Рассмотрим граф <tex> G </tex>, возможно c петлями и кратными рёбрами. Определим '''многочлен Татта''' (англ. ''Tutte polynomial'') <tex> T_G (x, y) </tex> следующими рекурсивными соотношениями: |
− | # Если граф <tex> G </tex> | + | # Если граф <tex> G </tex> не имеет рёбер, то <tex> T_G (x, y) = 1 </tex>; |
# Если ребро <tex> e </tex> является мостом, то <tex> T_G (x, y) = xT_{G\backslash e} (x, y) </tex> ; | # Если ребро <tex> e </tex> является мостом, то <tex> T_G (x, y) = xT_{G\backslash e} (x, y) </tex> ; | ||
# Если ребро <tex> e </tex> является петлей, то <tex> T_G (x, y) = yT_{G/e} (x, y) </tex>; | # Если ребро <tex> e </tex> является петлей, то <tex> T_G (x, y) = yT_{G/e} (x, y) </tex>; | ||
Строка 8: | Строка 10: | ||
}} | }} | ||
− | Из этого определения не очевидна корректность: почему полученная функция не зависит от порядка выкидывания рёбер? Однако, если определение корректно, <tex> T_G </tex>, очевидно, является многочленом от двух переменных с целыми неотрицательными коэффициентами. Корректность мы докажем, связав многочлен Татта с другим многочленом | + | Из этого определения не очевидна корректность: почему полученная функция не зависит от порядка выкидывания рёбер? Однако, если определение корректно, <tex> T_G </tex>, очевидно, является многочленом от двух переменных с целыми неотрицательными коэффициентами. Корректность мы докажем, связав многочлен Татта с другим многочленом — ранговым многочленом Уитни (''Whitney rank polynomial''). |
==Корректность определения, связь с ранговым многочленом== | ==Корректность определения, связь с ранговым многочленом== | ||
{{Определение|definition= | {{Определение|definition= | ||
− | Пусть <tex> G = (V,E) </tex> | + | Пусть <tex> G = (V,E) </tex> — некоторый граф. Для множества <tex> A \subset E </tex> через <tex> G(A) </tex> будем обозначать граф <tex> (V, A) </tex>. Через <tex> c(G) </tex> будем обозначать '''число компонент связности''' графа <tex> G </tex>. '''Рангом''' множества <tex> A </tex> будем называть число <tex> \rho(A) = |V| - c(G(A)) </tex>. |
}} | }} | ||
Строка 26: | Строка 28: | ||
{{Определение|definition= | {{Определение|definition= | ||
− | '''Ранговый многочлен''' графа <tex> G </tex> есть многочлен от двух переменных, определяемый формулой: <br> | + | '''Ранговый многочлен''' (англ. ''Rank polynomial'') графа <tex> G </tex> есть многочлен от двух переменных, определяемый формулой: <br> |
<center><tex dpi = "140"> R_G(u, v) = \sum\limits_{A \subset E} u^{\rho (E) - \rho (A)}v^{|A| - \rho (A)} </tex> </center> | <center><tex dpi = "140"> R_G(u, v) = \sum\limits_{A \subset E} u^{\rho (E) - \rho (A)}v^{|A| - \rho (A)} </tex> </center> | ||
}} | }} | ||
− | |||
Показатели в формуле раногового многочлена тоже имеют некоторый смысл. Величина <tex> \rho (E) - \rho (A) </tex> равна <tex> c(G(A)) - c(G) </tex>, т.е. приросту числа компонент связности за счёт перехода к множеству рёбер <tex> A </tex>. Мы будем обозначать эту величину через <tex> \rho ^{*}(A) </tex> и называть числом ''важных'' для <tex> A </tex> рёбер. (Их важно добавить к <tex> A </tex>, чтобы получилось столько же компонент связности, сколько было изначально). <br> | Показатели в формуле раногового многочлена тоже имеют некоторый смысл. Величина <tex> \rho (E) - \rho (A) </tex> равна <tex> c(G(A)) - c(G) </tex>, т.е. приросту числа компонент связности за счёт перехода к множеству рёбер <tex> A </tex>. Мы будем обозначать эту величину через <tex> \rho ^{*}(A) </tex> и называть числом ''важных'' для <tex> A </tex> рёбер. (Их важно добавить к <tex> A </tex>, чтобы получилось столько же компонент связности, сколько было изначально). <br> | ||
Величину <tex> |A| - \rho (A) </tex> будем называть числом ''лишних'' ребёр: именно столько рёбер можно выкинуть из множества <tex> A </tex>, не меняя число компонент связности. Обозначать эту величину будем через <tex> \overline{\rho} (A)</tex>. | Величину <tex> |A| - \rho (A) </tex> будем называть числом ''лишних'' ребёр: именно столько рёбер можно выкинуть из множества <tex> A </tex>, не меняя число компонент связности. Обозначать эту величину будем через <tex> \overline{\rho} (A)</tex>. | ||
− | + | ||
Далее докажем следующую техническую лемму: | Далее докажем следующую техническую лемму: | ||
Строка 39: | Строка 40: | ||
{{Лемма | {{Лемма | ||
|statement= | |statement= | ||
− | Пусть фиксировано некоторое ребро <tex> e \in E </tex> и множество <tex> A \subset E\backslash {e}</tex>. Обозначим через <tex> \rho _1(A), \rho ^{*}_{1} (A), \overline {\rho _1}(A) </tex> ранги множества <tex> A </tex> в графе <tex> G/e </tex>, а через <tex> \rho _2(A), \rho ^{*}_{2}(A), \overline {\rho _2}(A) </tex> | + | Пусть фиксировано некоторое ребро <tex> e \in E </tex> и множество <tex> A \subset E\backslash {e}</tex>. Обозначим через <tex> \rho _1(A), \rho ^{*}_{1} (A), \overline {\rho _1}(A) </tex> ранги множества <tex> A </tex> в графе <tex> G/e </tex>, а через <tex> \rho _2(A), \rho ^{*}_{2}(A), \overline {\rho _2}(A) </tex> — ранги в графе <tex> G\backslash e </tex>. Тогда для множества <tex> A' = A\cup {e}</tex> выполняются следующие соотношения: |
# Если <tex> e </tex> не петля, то <tex> \rho ^{*}(A') = \rho ^{*}_{1} (A) </tex> и <tex> \overline{\rho} (A') = \overline {\rho _{1}} (A) </tex>; | # Если <tex> e </tex> не петля, то <tex> \rho ^{*}(A') = \rho ^{*}_{1} (A) </tex> и <tex> \overline{\rho} (A') = \overline {\rho _{1}} (A) </tex>; | ||
# Если <tex> e </tex> не мост, то <tex> \rho ^{*}(A') = \rho ^{*}_{2} (A) </tex> и <tex> \overline{\rho} (A') = \overline {\rho _{2}} (A) </tex>; | # Если <tex> e </tex> не мост, то <tex> \rho ^{*}(A') = \rho ^{*}_{2} (A) </tex> и <tex> \overline{\rho} (A') = \overline {\rho _{2}} (A) </tex>; | ||
Строка 77: | Строка 78: | ||
}} | }} | ||
− | |||
==Многочлен Татта дерева== | ==Многочлен Татта дерева== | ||
− | Пусть <tex> G </tex> | + | Пусть <tex> G </tex> — дерево c <tex> n </tex> вершинами. Тогда <tex> T_G(x, y) = x^{n - 1} </tex>. Этот факт можно легко показать по индукции: в дереве любое ребро является мостом, после стягивания которого получается опять дерево с <tex> n - 1 </tex> вершинами. |
==Многочлен Татта цикла== | ==Многочлен Татта цикла== | ||
− | Пусть <tex> G = Z_n </tex> | + | Пусть <tex> G = Z_n </tex> — цикл из <tex> n </tex> вершин. Тогда для произвольного ребра <tex> e </tex>, граф <tex> G \backslash e </tex> — цепочка <tex> L_n </tex> из <tex> n </tex>, а <tex> G/e = Z_n </tex>. По свойству 4, <tex> T_{Z_n}(x, y) = T_{L_n}(x, y) + T_{Z_{n - 1} }(x, y) = x^{n - 1} + T_{Z_{n - 1}}(x, y)</tex> — верно для всех <tex> n > 1 </tex>. При этом граф <tex> Z_1 </tex> — петля, так что <tex> T_{Z_1} = y </tex> по свойствам 1 и 3. Следовательно, <br><center><tex> T_{Z_{n}}(x, y) = y + x + ... + x^{n - 1}</tex></center> |
==Многочлен Татта полного графа== | ==Многочлен Татта полного графа== | ||
Строка 89: | Строка 89: | ||
{{Определение | {{Определение | ||
|definition= | |definition= | ||
− | Пусть <tex> G = K_{n + 1} = (V, E) </tex>, <tex> V = {0, 1, 2,...,n | + | Пусть <tex> G = K_{n + 1} = (V, E) </tex>, причём <tex> V = \{0, 1, 2,...,n\} </tex>. Определим лексикографический порядок <tex> \prec </tex> на множестве рёбер <tex> E </tex> следующим образом: <tex> (i, j) \prec (i', j') </tex>, если <tex> i < i' </tex> или <tex> i = i', j = j' </tex>. |
}} | }} | ||
{{Определение | {{Определение | ||
|definition= | |definition= | ||
− | Обозначим за <tex> S_n </tex> множество остовных деревьев <tex> T </tex> графа <tex> G </tex>. Будем говорить, что ребро <tex> p \in T</tex> '''внутренне активно'''(internally active) в <tex> T </tex>, если <tex> p \prec q </tex> для всех <tex> q \in E \backslash t </tex>, таких что <tex> T \backslash p \cup {q} \in S_n</tex>. Аналогичным образом, будем говорить, что ребро <tex> p \in T</tex> '''внешне активно'''(externally active) в <tex> T </tex>, если <tex> p \prec q </tex> для всех <tex> q \in E \backslash T </tex>, таких что <tex> T \backslash q \cup {p} \in S_n</tex>. Величиной внутренней (внешней) активности будем называть число внутренне (внешне) активных элементов в <tex> T </tex>; эти величины будем обозначать <tex> i(T) </tex> и <tex> e(T) </tex> соответственно. | + | Обозначим за <tex> S_n </tex> множество остовных деревьев <tex> T </tex> графа <tex> G </tex>. Будем говорить, что ребро <tex> p \in T</tex> '''внутренне активно''' (англ. ''internally active'') в <tex> T </tex>, если <tex> p \prec q </tex> для всех <tex> q \in E \backslash t </tex>, таких что <tex> T \backslash p \cup {q} \in S_n</tex>. Аналогичным образом, будем говорить, что ребро <tex> p \in T</tex> '''внешне активно''' (англ. ''externally active'') в <tex> T </tex>, если <tex> p \prec q </tex> для всех <tex> q \in E \backslash T </tex>, таких что <tex> T \backslash q \cup {p} \in S_n</tex>. Величиной внутренней (внешней) активности будем называть число внутренне (внешне) активных элементов в <tex> T </tex>; эти величины будем обозначать <tex> i(T) </tex> и <tex> e(T) </tex> соответственно. |
}} | }} | ||
− | Также приведём без доказательства теорему, которая связывает многочлен Татта и понятие остовного дерева: | + | Также приведём без доказательства теорему, которая связывает многочлен Татта и понятие [[Остовные деревья: определения, лемма о безопасном ребре|остовного дерева]]: |
{{Теорема | {{Теорема | ||
Строка 110: | Строка 110: | ||
'''Обозначение:''' Для простоты обозначим многочлен Татта для полного графа <tex> G_{K_{n + 1}}(x, y) </tex> за <tex> F_n(x, y) </tex>. Тогда имеет место следующая теорема: | '''Обозначение:''' Для простоты обозначим многочлен Татта для полного графа <tex> G_{K_{n + 1}}(x, y) </tex> за <tex> F_n(x, y) </tex>. Тогда имеет место следующая теорема: | ||
{{Теорема | {{Теорема | ||
+ | |about= | ||
+ | Многочлен Татта полного графа | ||
|statement= | |statement= | ||
<center><tex> | <center><tex> | ||
Строка 116: | Строка 118: | ||
|proof= | |proof= | ||
− | Зафиксируем остовное дерево <tex> T \in S_n </tex>. Рассмотрим ребро <tex> (0, k) \in T </tex>, которое разбивает <tex> T </tex> на поддеревья <tex> T' </tex> и <tex> T'' </tex>, и при этом вершина 0 лежит в <tex> T'' </tex>. Пусть <tex> a = |{j|j \in T \& j < k}|</tex>. Тогда докажем следующие два утверждения: | + | Зафиксируем остовное дерево <tex> T \in S_n </tex>. Рассмотрим ребро <tex> (0, k) \in T </tex>, которое разбивает <tex> T </tex> на поддеревья <tex> T' </tex> и <tex> T'' </tex>, и при этом вершина 0 лежит в <tex> T'' </tex>. Пусть <tex> a = |\{j|j \in T \& j < k\}|</tex>. Тогда докажем следующие два утверждения: |
− | # <tex> i(T) = i(T') + \delta _{a, 0} </tex>, где <tex> \delta _{a, 0} </tex> | + | # <tex> i(T) = i(T') + \delta _{a, 0} </tex>, где <tex> \delta _{a, 0} </tex> — символ Кронекера |
# <tex> e(T) = e(T') + e(T'') + a </tex> | # <tex> e(T) = e(T') + e(T'') + a </tex> | ||
Понятно, что ребро <tex> (j_1, j_2) \in T </tex> не может быть ''внутренне'' активным, так как <tex> (0, j_1) \prec (j_1, j_2) </tex>, <tex> (0, j_2) \prec (j_1, j_2) </tex> и <tex> T \backslash (j_1, j_2) \cup {(0, j_1)} \in S_n</tex>, <tex> T \backslash (j_1, j_2) \cup {(0, j_2)} \in S_n</tex>. Также ребро <tex> (0, k) \in T </tex> внутренне активно в <tex> T </tex> <tex> \Leftrightarrow </tex> <tex> a = 0 </tex>, потому как если существует такая вершина <tex> j \in T'' </tex>, такая что <tex> j < k </tex>, то <tex> (0, j) \prec (0, k) </tex> и <tex> T \backslash (0, k) \cup {(0, j)} \in S_n</tex>. Таким образом равенство (1) доказано. <br> | Понятно, что ребро <tex> (j_1, j_2) \in T </tex> не может быть ''внутренне'' активным, так как <tex> (0, j_1) \prec (j_1, j_2) </tex>, <tex> (0, j_2) \prec (j_1, j_2) </tex> и <tex> T \backslash (j_1, j_2) \cup {(0, j_1)} \in S_n</tex>, <tex> T \backslash (j_1, j_2) \cup {(0, j_2)} \in S_n</tex>. Также ребро <tex> (0, k) \in T </tex> внутренне активно в <tex> T </tex> <tex> \Leftrightarrow </tex> <tex> a = 0 </tex>, потому как если существует такая вершина <tex> j \in T'' </tex>, такая что <tex> j < k </tex>, то <tex> (0, j) \prec (0, k) </tex> и <tex> T \backslash (0, k) \cup {(0, j)} \in S_n</tex>. Таким образом равенство (1) доказано. <br> | ||
− | Рассмотрим <tex> (j_1, j_2) </tex>, где <tex> j_1 \in T' </tex>, <tex> j > 0 </tex> и <tex> j_2 \in T'' </tex>. Тогда <tex> (j_1, j_2) </tex> не может быть ''внешне'' активным, так как <tex> (0, k) \prec (j_1, j_2) </tex> и <tex> T \backslash (j_1, j_2) \cup {(0, k)} \in S_n </tex>. Аналогично, пусть <tex> j \in T'' </tex>, тогда ребро <tex> (0, j) </tex> | + | Рассмотрим <tex> (j_1, j_2) </tex>, где <tex> j_1 \in T' </tex>, <tex> j > 0 </tex> и <tex> j_2 \in T'' </tex>. Тогда <tex> (j_1, j_2) </tex> не может быть ''внешне'' активным, так как <tex> (0, k) \prec (j_1, j_2) </tex> и <tex> T \backslash (j_1, j_2) \cup {(0, k)} \in S_n </tex>. Аналогично, пусть <tex> j \in T'' </tex>, тогда ребро <tex> (0, j) </tex> — внешне активно <tex> \Leftrightarrow </tex> <tex> j < k </tex>. Таким образом мы доказали и равенство (2).<br> Теперь необходимое тождество для полинома Татта полного графа может быть получено при подстановке равенств (1) и (2) в <tex> |
F_n(x, y) = \sum\limits_{T \in S} x^{i(T)}y^{e(T)} | F_n(x, y) = \sum\limits_{T \in S} x^{i(T)}y^{e(T)} | ||
</tex> и суммировании по всем парам поддеревьев <tex> T', T'' </tex> и всем рёбрам типа <tex> (0, k) </tex>. | </tex> и суммировании по всем парам поддеревьев <tex> T', T'' </tex> и всем рёбрам типа <tex> (0, k) </tex>. | ||
Строка 129: | Строка 131: | ||
|statement= | |statement= | ||
Пусть числовая функция на графах <tex> f(G) </tex> обладает следующими свойствами для некоторых констант <tex> a, b, x_0, y_0 </tex>: | Пусть числовая функция на графах <tex> f(G) </tex> обладает следующими свойствами для некоторых констант <tex> a, b, x_0, y_0 </tex>: | ||
− | # Если в <tex> G <> нет рёбер, то <tex> f(G) = 1 </tex> | + | # Если в <tex> G </tex> нет рёбер, то <tex> f(G) = 1 </tex> |
# Если ребро <tex> e </tex> является мостом, то <tex> f(G) = x_0f(G/e)</tex> | # Если ребро <tex> e </tex> является мостом, то <tex> f(G) = x_0f(G/e)</tex> | ||
# Если ребро <tex> e </tex> является петлёй, то <tex> f(G) = y_0f(G \backslash e)</tex> | # Если ребро <tex> e </tex> является петлёй, то <tex> f(G) = y_0f(G \backslash e)</tex> | ||
Строка 142: | Строка 144: | ||
Пусть <tex> e </tex> является петлёй. Тогда <tex> \rho _2 (E \backslash {e}) = \rho (E) </tex>, так как удаление <tex> e </tex> не меняет ни числа вершин, ни числа компонент связности. Тогда <tex> f(G) = y_0f(G \backslash e) = y_0 a^{\rho _2 (E \backslash {e})} b^{|E| - 1 - \rho _2 (E \backslash {e})} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = y_0 a^{\rho _2 (E \backslash {e})} b^{|E| - 1 - \rho _2 (E \backslash {e})} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = \frac {y_0}{b} a^{\rho (E)} b^{|E| - \rho (E)} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = a^{\rho (E)}b^{|E| - \rho (E)}T_G(\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) </tex>.<br> | Пусть <tex> e </tex> является петлёй. Тогда <tex> \rho _2 (E \backslash {e}) = \rho (E) </tex>, так как удаление <tex> e </tex> не меняет ни числа вершин, ни числа компонент связности. Тогда <tex> f(G) = y_0f(G \backslash e) = y_0 a^{\rho _2 (E \backslash {e})} b^{|E| - 1 - \rho _2 (E \backslash {e})} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = y_0 a^{\rho _2 (E \backslash {e})} b^{|E| - 1 - \rho _2 (E \backslash {e})} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = \frac {y_0}{b} a^{\rho (E)} b^{|E| - \rho (E)} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = a^{\rho (E)}b^{|E| - \rho (E)}T_G(\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) </tex>.<br> | ||
− | Пусть <tex> e </tex> не является ни мостом, ни петлёй. Тогда <tex> \rho _1 (E \backslash {e}) = \rho (E) - 1 </tex> и <tex> \rho _2 (E \backslash {e}) = \rho (E) </tex>. Тогда <tex> f(G) = a f(G/e) + b f(G \backslash e) = a | + | Пусть <tex> e </tex> не является ни мостом, ни петлёй. Тогда <tex> \rho _1 (E \backslash {e}) = \rho (E) - 1 </tex> и <tex> \rho _2 (E \backslash {e}) = \rho (E) </tex>. Тогда <tex> f(G) = a f(G/e) + b f(G \backslash e) = a\cdot a^{\rho _1 (E \backslash {e})} b^{|E| - 1 - \rho _1 (E \backslash {e})} T_ {G / e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) + b\cdot a^{\rho _2 (E \backslash {e})} b^{|E| - 1 - \rho _2 (E \backslash {e})} T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) = a^{\rho (E)}b^{|E| - \rho (E)} (T_ {G / e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) + T_ {G \backslash e} (\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b})) = a^{\rho (E)}b^{|E| - \rho (E)}T_G(\frac {x_0}{a}, \frac {y_0}{b}) </tex>. <br> |
Таким образом, все случаи разобраны, и теорема доказана. | Таким образом, все случаи разобраны, и теорема доказана. | ||
Строка 150: | Строка 152: | ||
==Связь с хроматическим многочленом== | ==Связь с хроматическим многочленом== | ||
− | == | + | {{Теорема |
+ | |statement= | ||
+ | Для графа <tex> G </tex> и <tex> k \in N </tex> выполняется соотношение <tex dpi="130"> \chi _G (k) = (-1)^{|V| - c(G)}k^{c(G)}T_G(1 - k, 0) </tex>. | ||
+ | |proof= | ||
+ | Воспользуемся универсальным свойством многочлена Татта для функции <tex> P_G(k) = \frac {\chi _G (k)}{k^{|V|}} </tex>. Проверим условие теоремы. <br> | ||
+ | Пусть ребро <tex> e </tex> является мостом. Тогда множество вершин <tex> V </tex> разбивается на два непересекающихся подмножества: <tex> V_1 </tex> и <tex> V_2 </tex>. Обозначим через <tex> G_1 </tex> и <tex> G_2 </tex> соответствующие подграфы. Их раскраски не связаны друг другом, поэтому <tex> \chi_{G \backslash e} (k) = \chi_{G_1} (k) \cdot \chi_{G_2} (k) </tex>. Далее, правильная раскраска <tex> G/e </tex> получается из правильных раскрасок <tex> G_1 </tex> и <tex> G_2 </tex>, где цвета склеиваемых вершин совпадают. Можно взять любую правильную раскраску <tex> G_1 </tex>, для чего есть <tex> \chi_{G_1} (k) </tex>, а из правильных раскрасок <tex> G_2 </tex> годится только доля <tex> \frac {1}{k} </tex>, где цвет склеиваемой вершины нужный. Таким образом, <tex> \chi _{G/e}(k) = \frac {1}{k} \chi _{G_1}(k) \chi _{G_2}(k) </tex>. Далее, по рекуррентному свойству [[Хроматический многочлен|хроматического многочлена]] <tex> \chi _{G}(k) = \chi _{G \backslash e}(k) - \chi _{G / e}(k) = (1 - \frac {1}{k})\chi _{G_1}(k) \cdot \chi _{G_2}(k) = (k - 1)\chi _{G / e}(k) </tex>. Значит, <tex> P_G (k) = \frac {\chi _{G}(k)}{k^{|V|}} = \frac {(k - 1)\chi _{G / e}(k)}{k^{|V|}} = \frac {k - 1}{k} P_{G / e} (k) </tex>, то есть первое условие выполнено для <tex> x_0 = \frac {k - 1}{k} </tex>. <br> | ||
+ | Пусть ребро <tex> e </tex> является петлёй. Тогда правильных раскрасок нет, то есть <tex> P_G (k) = 0 </tex>. Значит второе условие выполнено для <tex> y_0 = 0 </tex>. | ||
+ | Пусть ребро <tex> e </tex> не является ни мостом, ни петлёй. Опять же, в силу рекуррентного свойства хроматического многочлена <tex> \chi _{G}(k) = \chi _{G \backslash e}(k) + \chi _{G / e}(k) </tex>. Поделив на <tex> k^{|V|} </tex>, получим <tex> P_G(k) = -\frac {1}{k} P_{G / e} (k) + P_{G \backslash e} (k) </tex>. Значит, третье соотношение выполнено для <tex> a = \frac {1}{k}, b = 1 </tex>. <br> | ||
+ | Согласно универсальному свойству многочлена Татта получаем <tex> P_G (k) = (-\frac {1}{k})^{\rho (E)} T_G(1 - k, 0) </tex>. Значит, <tex> \chi _G (k) = (-1)^{\rho (E)}k^{|V| - \rho (E)}T_G(1 - k, 0) </tex>. Поскольку <tex> \rho (E) = |V| - c(G) </tex>, получаем <tex> \chi _G (k) = (-1)^{|V| - c(G)}k^{c(G)}T_G(1 - k, 0) </tex>. | ||
+ | }} | ||
+ | |||
+ | ==Значения многочлена Татта== | ||
+ | {{Теорема | ||
+ | |statement= | ||
+ | Для любого графа <tex> G </tex> верно, что: | ||
+ | # <tex> T_G (1, 1) </tex> равно количеству остовных лесов; | ||
+ | # <tex> T_G (1, 2) </tex> равно количеству подграфов <tex> G </tex>, имеющих столько же компонент связности, что и <tex> G </tex>; | ||
+ | # <tex> T_G (2, 1) </tex> равно количеству ациклических подграфов <tex> G </tex>. | ||
+ | |proof= | ||
+ | Заметим, что <tex> \overline {\rho} (A) = 0 </tex> тогда и только тогда, когда <tex> G(A) </tex> не содержит циклов, а <tex> \rho ^*(A) = 0 </tex> тогда и только тогда, когда <tex> G(A) </tex> имеет столько же компонент связности, что и <tex> G </tex>. <br> | ||
+ | Далее, воспользуемся теоремой о связи с ранговым многочленом: | ||
+ | # <tex> T_G(1, 1) = R_G(0, 0) </tex>. Учитывая, что <tex> 0^0 = 1 </tex> и <tex> 0^k = 0 </tex> при <tex> k > 0 </tex>, ненулевыми (а именно единичными) будут только те слагаемые, где <tex> \rho^*(A) = 0 </tex> и <tex> \overline {\rho} (A) = 0 </tex>. Это означает, что <tex> G(A) </tex> не содержит циклов и содержит столько же компонент связности, сколько и <tex> G </tex>, то есть является остовным лесом. Суммируя единицы для каждого остовного леса, получаем число остовных лесов. | ||
+ | # <tex> T_G(1, 2) = R_G(0, 1) </tex>. Здесь мы суммируем единицы для тех <tex> A </tex>, где <tex> \rho^*(A) = 0 </tex>, то есть для подграфов имеющих столько же компонент связности, сколько и <tex> G </tex>. | ||
+ | # <tex> T_G(2, 1) = R_G(1, 0) </tex>. Здесь мы суммируем единицы для тех <tex> A </tex>, где <tex> \overline {\rho}(A) = 0 </tex>, то есть для ациклических подграфов. | ||
+ | |||
+ | }} | ||
+ | |||
+ | ==Источники информации== | ||
+ | * [http://logic.pdmi.ras.ru/~dvk/211/graphs_dk.pdf Карпов Д.В. — Теория Графов]<br /> | ||
+ | * [http://www.mathnet.ru/links/f39ceb5fdeb743a27ea1e43da2218762/mp215.pdf Бурман Ю.М. — Многочлен Татта и модель случайных кластеров]<br /> | ||
+ | * [http://www.math.ucla.edu/~pak/papers/Pak_Computation_Tutte_polynomial_complete_graphs.pdf Igor M. Pak — Computations of Tutte polynomial of complete graphs]<br /> | ||
+ | |||
+ | [[Категория: Алгоритмы и структуры данных]] | ||
+ | [[Категория: Раскраски графов]] |
Текущая версия на 19:17, 4 сентября 2022
Многочлен Татта — наиболее общая характеристика, описывающая комбинаторные свойства графа.
Основное определение
Определение: |
Рассмотрим граф
| , возможно c петлями и кратными рёбрами. Определим многочлен Татта (англ. Tutte polynomial) следующими рекурсивными соотношениями:
Из этого определения не очевидна корректность: почему полученная функция не зависит от порядка выкидывания рёбер? Однако, если определение корректно, , очевидно, является многочленом от двух переменных с целыми неотрицательными коэффициентами. Корректность мы докажем, связав многочлен Татта с другим многочленом — ранговым многочленом Уитни (Whitney rank polynomial).
Корректность определения, связь с ранговым многочленом
Определение: |
Пусть | — некоторый граф. Для множества через будем обозначать граф . Через будем обозначать число компонент связности графа . Рангом множества будем называть число .
Утверждение: |
Ранг множества равен количеству рёбер в любом остовном лесе графа . (под остовным лесом здесь понимается объединение остовных деревьев всех компонент связности, т.е. такой ациклический граф , что и ) |
Действительно, в каждой компоненте связности остовного леса рёбер на одно меньше чем вершин, а общее число вершин равно | .
Теперь определим сам ранговый многочлен:
Определение: |
Ранговый многочлен (англ. Rank polynomial) графа | есть многочлен от двух переменных, определяемый формулой:
Показатели в формуле раногового многочлена тоже имеют некоторый смысл. Величина равна , т.е. приросту числа компонент связности за счёт перехода к множеству рёбер . Мы будем обозначать эту величину через и называть числом важных для рёбер. (Их важно добавить к , чтобы получилось столько же компонент связности, сколько было изначально).
Величину будем называть числом лишних ребёр: именно столько рёбер можно выкинуть из множества , не меняя число компонент связности. Обозначать эту величину будем через .
Далее докажем следующую техническую лемму:
Лемма: |
Пусть фиксировано некоторое ребро и множество . Обозначим через ранги множества в графе , а через — ранги в графе . Тогда для множества выполняются следующие соотношения:
|
Доказательство: |
|
Теперь, собственно, докажем связь многочлена Татта с ранговым, откуда будет следовать корректность определения для многочлена Татта:
Теорема (Татта): |
Для любого графа выполнено равенство |
Доказательство: |
Если граф Далее, разберём несколько случаев:
|
Многочлен Татта дерева
Пусть
— дерево c вершинами. Тогда . Этот факт можно легко показать по индукции: в дереве любое ребро является мостом, после стягивания которого получается опять дерево с вершинами.Многочлен Татта цикла
Многочлен Татта полного графа
Определение: |
Пусть | , причём . Определим лексикографический порядок на множестве рёбер следующим образом: , если или .
Определение: |
Обозначим за | множество остовных деревьев графа . Будем говорить, что ребро внутренне активно (англ. internally active) в , если для всех , таких что . Аналогичным образом, будем говорить, что ребро внешне активно (англ. externally active) в , если для всех , таких что . Величиной внутренней (внешней) активности будем называть число внутренне (внешне) активных элементов в ; эти величины будем обозначать и соответственно.
Также приведём без доказательства теорему, которая связывает многочлен Татта и понятие остовного дерева:
Теорема (Татта): |
Пусть на с множеством остовных деревьев . Тогда |
Обозначение: Для простоты обозначим многочлен Татта для полного графа
за . Тогда имеет место следующая теорема:Теорема (Многочлен Татта полного графа): |
Доказательство: |
Зафиксируем остовное дерево . Рассмотрим ребро , которое разбивает на поддеревья и , и при этом вершина 0 лежит в . Пусть . Тогда докажем следующие два утверждения:
Понятно, что ребро Теперь необходимое тождество для полинома Татта полного графа может быть получено при подстановке равенств (1) и (2) в и суммировании по всем парам поддеревьев и всем рёбрам типа . |
Универсальное свойство многочлена Татта
Теорема: |
Пусть числовая функция на графах обладает следующими свойствами для некоторых констант :
|
Доказательство: |
Для доказательства проведём индукцию по количеству рёбер. Поскольку для пустого графа Пусть Пусть Пусть |
Связь с хроматическим многочленом
Теорема: |
Для графа и выполняется соотношение . |
Доказательство: |
Воспользуемся универсальным свойством многочлена Татта для функции |
Значения многочлена Татта
Теорема: |
Для любого графа верно, что:
|
Доказательство: |
Заметим, что
|