GRAFŲ TEORIJA Pasirenkamasis kursas, Magistrantūra, 3 sem m. rudens semestras Parengė: Eugenijus Manstavičius Įvadas Pirmoji kurso dalis skirta

Panašūs dokumentai
4 skyrius Algoritmai grafuose 4.1. Grafų teorijos uždaviniai Grafai Tegul turime viršūnių aibę V = { v 1,v 2,...,v N } (angl. vertex) ir briaun

lec10.dvi

MatricosDetermTiesLS.dvi

TIESINĖ ALGEBRA Matricos ir determinantai Matricos. Transponuota matrica. Nulinė ir vienetinė matrica. Kvadratinė matrica. Antrosios ir trečiosios eil

QR algoritmas paskaita

Algebra ir geometrija informatikams. Paskaitu¾ konspektas Rimantas Grigutis 7 paskaita Matricos. 7.1 Apibr eµzimas. Matrica A yra m eiluµciu¾ir n stul

DISKREČIOJI MATEMATIKA. Grafai serija 5800 variantas 001 Grafas G 1 = (V, B 1 ) apibrėžtas savo viršūnių bei briaunų aibėmis: V = {i, p, z, u, e, s},

(Microsoft Word - Pasiruo\360imas EE 10 KD-1)

PowerPoint Presentation

9 paskaita 9.1 Erdvės su skaliarine daugyba Šiame skyriuje nagrinėsime abstrakčias tiesines erdves, kurioms apibrėžta skaliarinė daugyba. Jos sudaro l

Algoritmø analizës specialieji skyriai

Algoritmai ir duomenų struktūros (ADS) 7 paskaita Saulius Ragaišis, VU MIF

* # * # # 1 TIESĖS IR PLOKŠTUMOS 1 1 Tiesės ir plokštumos 1.1 Lygtys ir taškų aibės Sferos lygtis Tarkime, kad erdvėje apibrėžta Dekarto stačiak

XI skyrius. KŪNAI 1. Kūno sa voka Šiame skyriuje nagrinėsime kūnus. Kūnas tai aibė k, kurioje apibrėžti aibės k elementu du vidiniai kompozicijo

LIETUVOS JAUNŲJŲ MATEMATIKŲ MOKYKLA 7. PAPRASČIAUSIOS DIFERENCIALINĖS LYGTYS ( ) Teorinę medžiagą parengė ir septintąją užduotį sudarė prof. d

Atranka į 2019 m. Pasaulinę ir Vidurio Europos matematikos olimpiadas Sprendimai Artūras Dubickas ir Aivaras Novikas 1. Mykolas sugalvojo natūraliųjų

III. SVEIKI NENEIGIAMI SKAIČIAI 3.1 Indukcijos aksioma Natūraliu ju skaičiu aibės sa voka viena svarbiausiu matematikoje. Nors natūralaus skaičiaus sa

10 Pratybos Oleg Lukašonok 1

PowerPoint Presentation

DISKREČIOJI MATEMATIKA. Grafo tyrimas serija 5705 variantas Grafas (, ) yra 1 pilnasis; 2 tuščiasis; 3 nulinis; 4 dvidalis. 2 Atstumas tarp graf

Lietuvos mokinių matematikos olimpiada Rajono (miesto) etapo užduočių klasei sprendimai 2015 m. 1 uždavinys. Aistė užrašė skaičių seką: 1 (2 3)

PS_riba_tolydumas.dvi

Teorinių kontrolinių sąlygos ir sprendimai Vytautas Kazakevičius 2016 m. gruodžio 20 d. Teiginiai ( ). 1. (0.05 t.) Užrašykite formule tokį t

Printing triistr.wxmx

VI. TOLYDŽIU IR DIFERENCIJUOJAMU FUNKCIJU TEOREMOS 6.1 Teoremos apie tolydžiu funkciju tarpines reikšmes Skaitytojui priminsime, kad nagrinėdami reali

Duomenų vizualizavimas

Printing AtvirkstineMatrica.wxmx

Algoritmai ir duomenų struktūros (ADS) 2 paskaita Saulius Ragaišis, VU MIF

Microsoft PowerPoint Dvi svarbios ribos [Read-Only]

L I E T U V O S J A U N Ų J Ų M A T E M A T I K Ų M O K Y K L A 2. TRIKAMPIŲ ČEVIANOS ( ) Teorinę medžiagą parengė ir antrąją užduotį sudarė V

Slide 1

LMR200.dvi

Printing BaziniaiSprendiniai&KrastutiniaiTaskai.wxm

G E O M E T R I J A Gediminas STEPANAUSKAS Turinys 1 TIES ES IR PLOK TUMOS Plok²tumos ir tieses plok²tumoje normalines lygtys

Slide 1

Projektas „Europos kreditų perkėlimo ir kaupimo sistemos (ECTS) nacionalinės koncepcijos parengimas: kreditų harmonizavimas ir mokymosi pasiekimais gr

Slide 1

Slide 1

1 Vaizdu vidurkinimas ir požymiu išskyrimas 1.1 Glodus vienmatis eksponentinis filtras Apibrėšime eksponentini tolydu kintamojo x filtra formule ( v σ

P. Kasparaitis. Praktinė informatika. Skriptų vykdymas ir duomenų valdymas Skriptų vykdymas ir duomenų valdymas Įvadas Skripto failas tai M

II-a klasė

Isvestiniu_taikymai.dvi

Magistro darbas

Microsoft Word - 8 Laboratorinis darbas.doc

TAIKOMOJI MATEMATIKA. 1-ojo testo pavyzdžiai serija **** variantas 001 x x + 12 lim = x 4 2x 8 1 2; 3 0; 2 1 2; 5 1; 6 2; 7 ; riba nee

Microsoft PowerPoint Ekstremumai_naujas

6. ŠAKNIES RADIMO ALGORITMAS Istorija. Babiloniečių arba Herono algoritmas. Jau žiloje senovėje reikėjo mokėti traukti kavadratinę šaknį. Yra išlikęs

DVYLIKTOJI KALĖDINĖ KOMANDINĖ RASEINIŲ KRAŠTO OLIMPIADA PROFESORIAUS JONO KUBILIAUS TAUREI LAIMĖTI Raseiniai, Magdalena Raseiniškė mėgst

Vigirdas Mackevičius 2. Sekos riba Paskaitu konspektas Intuityviai realiu ju skaičiu seka vadinama realiu ju skaičiu aibė, kurios elementai (vadinami

Priedai_2016.indd

Dažniausios IT VBE klaidos

Microsoft Word - T-Krivousas_magistrinis.doc

Neiškiliojo optimizavimo algoritmas su nauju bikriteriniu potencialiųjų simpleksų išrinkimu naudojant Lipšico konstantos įvertį

VILNIAUS UNIVERSITETAS LAURA ŽVINYTĖ DISKRETUS TOLYGUSIS RIBINIS DĖSNIS ADITYVIOSIOMS FUNKCIJOMS Daktaro disertacija Fiziniai mokslai, matematika (01P

Tvarkinguolė voverytė Julė, įsikūrusi Pavoveriuose (netoli Pabradės) savo žiemai skirtų gigantinių riešutaičių atsargas yra prislėpusi 5 drevėse

MATEMATIKOS BRANDOS EGZAMINO PROGRAMOS MINIMALIUS REIKALAVIMUS ILIUSTRUOJANTYS PAVYZDŽIAI Egzamino programos minimalūs reikalavimai 1.3. Paprastais at

VILNIAUS UNIVERSITETAS TEISĖS FAKULTETAS Teisė [6011KX002 ] Studijų programos planas TVIRTINU Programos komiteto pirmininkas Profesorius Dr. Jonas Pra

ITC ISSN LIETUVOS ŠVIETIMAS SKAIČIAIS Lietuvos Respublikos švietimo ir mokslo ministerija Švietimo informacinių technologijų centras 2017 Ik

Longse Wi-Fi kameros greito paleidimo instrukcija 1. Jums prireiks 1.1. Longse Wi-Fi kameros 1.2. Vaizdo stebėjimo kameros maitinimo šaltinio 1.3. UTP

TECHNINIAI DUOMENYS Pramoniniai vartai

RR-GSM_IM_LT_110125

LIETUVOS RESPUBLIKOS ŪKIO MINISTRAS

Gabių vaikų ugdymo mokymo priemonių dokumentas parengtas, įgyvendinant ES lėšomis finansuojamą projektą Gabių vaikų ugdymo efekytyvumo didinimas šviet

PRIEINAMAS TURIZMAS-TURIZMAS VISIEMS UNIVERSALUS DIZAINAS: TEORIJA IR PRAKTIKA

Slide 1

Logines funkcijos termu generavimo algoritmas pagristas funkciniu modeliu

UGDYMO PLĖTOTĖS CENTRO DIREKTORIUS ĮSAKYMAS DĖL UGDYMO PLĖTOTĖS CENTRO DIREKTORIAUS 2016 M. VASARIO 29 D. ĮSAKYMO NR. VK-24 DĖL BENDROJO UGDYMO DALYKŲ

Microsoft PowerPoint - NMVA_TIMSS2011_2013_pristatymas_viskas

Banko_paslaugu_internetu_teikimo_salygos_

24 VERSLO APSKAITOS STANDARTO MR

PowerPoint Presentation

Kauno menų darželis Etiudas Mgr. Virginija Bielskienė, direktorės pavaduotoja ugdymui, II vad. kategorija, auklėtoja metodininkė Žaidimas pagrindinė i

Privalomai pasirenkamas istorijos modulis istorija aplink mus I dalis _suredaguotas_

DĖL APLINKOS IR SVEIKATOS MOKSLO KOMITETO ĮSTEIGIMO

Microsoft Word - IKIMOKYKLINČ IR PRIEŀMOKYKLINČ PEDAGOGIKA.docx

Slide 1

LIETUVOS RESPUBLIKOS ŽEMĖS ŪKIO MINISTRAS ĮSAKYMAS DĖL ŽEMĖS ŪKIO MINISTRO 2000 M. GRUODŽIO 28 D. ĮSAKYMO NR. 375 DĖL EKOLOGINIO ŽEMĖS ŪKIO TAISYKLIŲ

Microsoft Word - Liuminescencija_teorija

Microsoft Word - 15_paskaita.doc

Elektroninio dokumento nuorašas Kauno lopšelis-darželis "Giliukas", , Apuolės g. 29, Kauno m., Kauno m. sav M. GRUODŽIO 31 D. pasibaigu

VILNIAUS UNIVERSITETAS MATEMATIKOS IR INFORMATIKOS FAKULTETAS PROGRAMŲ SISTEMŲ KATEDRA Atsitiktinės paieškos optimizavimo algoritmų vertinimas Evaluat

Elektronu igreitejimo stipriame elektriniame lauke itaka fotolaidžios terahercu antenos savybems

Masyvas su C++ Užduotys. Išsiaiškinkite kodą (jei reikia pataisykite) ir paleiskite per programą. Ciklo skaitliuko įrašymas į vienmatį masyvą: #includ

Microsoft Word - TEATRO IR KINO PEDAGOGIKA.docx

Microsoft Word - Ak noretum grizti v04.docx

LIETUVOS MUZIKOS IR TEATRO AKADEMIJOS SENATAS NUTARIMAS DĖL LIETUVOS MUZIKOS IR TEATRO AKADEMIJOS STUDIJŲ PROGRAMŲ REGLAMENTO NAUJOS REDAKCIJOS PATVIR

LIETUVOS ŽEMĖS ŪKIO UNIVERSITETAS

2-ojo VSAFAS Finansinės būklės ataskaita 2 priedas (Žemesniojo lygio viešojo sektoriaus subjektų, išskyrus mokesčių fondus ir išteklių fondus, finansi

5_3 paskaita

KROSNININKO SERTIFIKAVIMO schema

Klausymas Pamoka 38 Sritis ir tikslai: Suvokia visus žinomus žodžius ir frazes, šnekant nepažįstamiems kalbėtojams. Veikla 36 savaitę tikrinote, kaip

LIETUVOS FIZIKŲ DRAUGIJA ŠIAULIŲ UNIVERSITETO JAUNŲJŲ FIZIKŲ MOKYKLA FOTONAS ŠVIESOS BANGINĖS SAVYBĖS. ATOMO SANDARA.

FORMAI PRITARTA m. Europos Sąjungos struktūrinės paramos administravimo darbo grupės, sudarytos Lietuvos Respublikos finansų ministro 2013 m

Microsoft PowerPoint - Aktyvaus mokymosi metodai teisinio ugdymo paskaitose.pptx

1.Kiekvieną mokymo(si) priemonių (reikmenų) rinkinį priešmokyklinio ugdymo klasėms sudaro: Eil Nr. Prekės pavadinimas Kiekis, vnt./komplekt ai 1. Sąsi

1. Matematinės dėlionės Įvadas Šiame modulyje pateiktos įvairaus sudėtingumo matematinės dėlionės. Jos padės mokytis skaičiuoti mintinai ir rasti įvai

ES F ben dri Projekto kodas (Įrašoma automatiškai) 1 PROJEKTO SFMIS DUOMENŲ FORMA FORMAI PRITARTA m. Europos Sąjungos struktūrinės paramos a

Muzikos duomenų bazės NAXOS Music Library naudojimo vadovas Turinys Kas yra NAXOS Music Library... 2 Kaip pradėti naudotis... 3 Kaip atlikti paiešką..

Ginčo byla Nr LIETUVOS BANKO PRIEŽIŪROS TARNYBOS FINANSINIŲ PASLAUGŲ IR RINKŲ PRIEŽIŪROS DEPARTAMENTO DIREKTORIUS SPRENDIMAS DĖL A. G. IR

Transkriptas:

GRAFŲ TEORIJA Pasirenkamasis kursas, Magistrantūra, 3 sem. 2018 m. rudens semestras Parengė: Eugenijus Manstavičius Įvadas Pirmoji kurso dalis skirta grafų algoritmams, tačiau apibrėžus gretimumo matricą pravartu pajusti jos teorinę svarbą. Todėl pirmose paskaitose paliečiama grafo spektrinė analizė. Vėliau pereinama prie pačių algoritmų. Tada per visą semetrą neskubėdami studentai turėtų parengti po tris veikiančias įskaitines programas. Antroji dalis - žinių, gautų bakalauro studijose, pagilinimas. 1. Grafų spektrinė analizė Tegul G = (V, E), V = {1, 2,..., n}, yra (paprastasis) grafas, o A = ((a ij )), a ij = 1{ij E} - jo gretimumo matrica. Tai simetrinė matrica; ji yra diagonalizuojama, turi realias tikrines reikšmes. Pastarųjų aibė yra vadinama spektru, netgi grafo spektru. Aišku, kad A įstrižainėje yra esantys a jj = 0, jei 1 j n. Briaunas sunumeravę, galime apibrėžti grafo incidentumo matricą B = ((b ik )), 1 i n, 1 k m = E ; čia b ik = 1{i inc. e k }, o e k yra k-oji briauna. 1 teorema. Teisingas sąryšis BB t = D + A, čia D - diagonali matrica, kurios įstrižainėje iš eilės išdėstyti viršūnių laipsniai. Įrodymas. Pritaikyti apibrėžimus. Pastaba. Ne bet kokia 0-1 matrica yra gretimumo matrica. Ką slepia matrica A k = ((a (k) ij )), k N? Atsakymas: 2 teorema. Elementas a (k) ij lygus k ilgio (i j) kelių skaičiui. Įrodymas. Pasinaudokime indukcija pagal k. Jei k = 1, akivaidu. Jei jau žinome, kad a (k 1) ij lygus k 1 ilgio (i j) kelių skaičiui, tai sudauginę matricas, gauname a (k) ij = Tai jau k ilgio (i j) kelių skaičius. n r=1 a (k 1) ir a (1) rj. Toliau visada I m - vienetinė matrica, o J m = ((1)) ir m m matmenų, o I n =: I ir J n =: J. 1

2 3 teorema. Grafas G yra jungus tada ir tik tada, jei matrica (A + I) n 1 neturi nulinių elementų. Įrodymas. Pritaikę Niutono binomo formulę, turime ( ) ( ) n 1 ((q ij )) := (A + I) n 1 n 1 n 1 = A k I n k n 1 = A k. k k Todėl q ij = k=0 n 1 k=0 ( ) n 1 k a (k) ij. Suma skaičiuoja visų ilgių (i j) kelius, net su svoriu. Suma teigiama, jei bent vienas iš dėmenų yra teigiamas. 4 teorema. Jei grafai G ir G yra izomorfiniai, tai jų gretimumo matricas A ir A sieja lygybė A = P A P 1, čia P - keitinio matrica. Įrodymas. Pritaikyti apibrėžimus. Išvada. Izomorfiniai grafai turi tą patį gretimo matricų charakteristinį polinomą, t.y., p G (λ) = det(λi A) = p G (λ) = det(λi A ). 5 teorema. Pilnojo dvidalio grafo K r,s = G charakteristinis polinomas lygus p G (λ) = λ n 2 (λ 2 rs), čia n = r + s. Įrodymas. Atitinkamai sunumeravę viršūnes, matome, kad gretimumu matrica yra blokinė ( ) 0 Jr A =. J s 0 Čia 0 atitinkami nulių blokai. Matricos A rangas yra 2, tai kartu yra ir nenulinių tikrinių reikšmių skaičius. Vadinasi, charakteristinio polinomo pavidalas p G (λ) = λ n 2 (λ b 1 )(λ b 2 ), Simetrinės matricos tikrinės reikšmės yra realios, ir jų suma yra matricos A pėdsakas tr(a) = 0 = b 1 + b 2. p G (λ) = λ n 2 (λ 2 a 2 ), a := b 1. Lieka rasti a. Prisimename A 2 elementų prasmę. Įstrižainėje - ilgio 2 uždarų kelių (i j i) ir (j i j) skaičiai. Pilname dvidaliame grafe juos galime suskaičiuoti. Iš viso jų yra 2rs. Bet tr(a 2 ) = 2a 2. Vadinasi, Iš čia išplaukia teoremos teiginys. 2a 2 = 2rs k=0

Pastaba. Ar charakteristinis polinomas apibrėžia grafą izomorfizmo tikslumu? NE! Pavyzdys. Jei G = C 4 x, x V, tai p G (λ) = λp C4 (λ) = λ 3 (λ 2 4). Imkime K 1,4 = G G. Pagal 5 teoremą, jam irgi p G (λ) = λ 3 (λ 2 4). Koks dvidalio, nebūtinai pilnojo, grafo spektras - tikrinių matricos A reikšmių rinkinys? 6 teorema. Jei G yra dvidalis grafas, o λ R jo charakteristinio polinomo k-ojo kartotinumo šaknis, tai λ irgi. Įrodymas. Atitinkamai sunumeravę viršūnes, matome, kad gretimumo matrica yra blokinė ( ) 0 B A =. B t 0 Čia 0 žymi atitinkamus nulių blokus, B yra (0-1) matrica ir B t - transponuotoji matrica. Tikrinis reikšmės λ nenulinis vektorius X 0 irgi turi pavidalą ( ) x X =, y čia x, y atitinkamų dimensijų vektoriai, nes ( ) ( ) By x λx = AX = = λ. B t x y Taigi By = λx, B t x = λy. Jei vektorius y nenulinis, imkime vektorių ( ) x X :=, y tada ( ) ( ) ( ) By λx x AX = = = λ = λx. B t x λy y Matome, kad X yra tikrinės reikšmės λ tikrinis vektorius. Kai tikrinės reikšmės λ kartotinumas yra k, tai jai atitinka k tiesiškai nepriklausomų tikrinių vektorių. Pakartoję argumentus, kiekvienam iš jų rastume reikšmės λ tikrinius vektorius ir jie būtų nepriklausomi. Vadinasi, ir pastarosios tikrinės reikšmės kartotinumas yra k. Įrodyta. 7 teorema. Šie teiginiai yra ekvivalentūs: (1) G yra dvidalis grafas; 3

4 (2) bet kokiam k N tikrinių reikšmių laipsnių suma n λi 2k 1 = 0. i=1 Įrodymas. Užrašytoji suma - matricos A 2k 1 pėdsakas. Taigi, nelyginio ilgio uždarų kelių grafe G nėra. Jame nėra ir nelyginio ilgio ciklo. Iš čia išplaukia, kad G yra dvidalis. Iš tiesų, jei G 0 G yra bet kokia jungi komponentė ir u V (G 0 ) = V 0, o f(v) = min{(u v) tako ilgis} Tada apibrėžę skaidinį V 0 = U 1 U 2 dalis pagal f(v) lyginumą: ir U 1 = {v : f(v) yra nelyginis} U 2 = {v : f(v) yra lyginis}, matytume, kad U 1 U 2 =. Briauna tarp bet kokių dviejų viršūnių iš U 1 arba U 2 sukurtų nelyginio ilgio ciklą. To būti negali. Taip išskaidę kiekvieną komponentę, gauname dvidalį grafą. Vadinasi, (2) (1). Teiginys (1) (2) išplaukia iš pereitos teoremos, nes nenulinės tikrinės reikšmės įeina poromis. Jau 6 teoremos įrodyme, ieškodami tikrinių reikšmių, pradėjome nuo tikrinių vektorių, kurių tiesiškai nepriklausomų turi būti lygiai n, nes matrica A yra simetrinė. Verta įsidėmėti, kad tikrinis vektorius X = (x 1,..., x i,..., x n ), atitinkantis reikšmę λ, svorį" λx i išskirsto i-os viršūnės kaimynėms. Šia savybe galima pasinaudoti ieškant jų. Suradę n tiesiškai nepriklausomų vektorių ir jų atitinkančių tikrinių reikšmių, įskaitant kartotinumus, turime visą informaciją. Pavyzdys. Pilnajame grafe priskyrę viršūnėms po 1-etą galime imti λ = n 1. Vadinasi, vektorius X 1 = (1,..., 1) yra tikrinis ir atitinka reikšmę λ = n 1. Tiesiškai nepriklausomi vektoriai X i = (1,..., 0, 1, 0,..., 0) su ( 1) irgi turi skirstytojo savybę" savybę, jei paimtume λ = 1. Iš viso turime n t.n. vektorių, atitinkančių reikšmes n 1 ir 1 su kartotinumu (n 1)-as. Užduotis. Ką tik aptartu būdu raskite žvaigždinio grafo spektrą. Namų darbas. Raskite ciklinio grafo C n spektrą. 8 teorema. Jei G = (V, E) yra d reguliarus grafas ir poromis ortogonalūs vektoriai X 1 = (1,..., 1), X 2,... X n yra jo tikrinių vektorių, atitinkančių reikšmes λ 1 = d, λ 2,..., λ n šeima, tada papildinio G tikriniai vektoriai yra tie patys, bet atitinka reikšmes (n 1 d), 1 λ 2,..., 1 λ n

5 Įrodymas. Pasinaudosime lygybe Vadinasi, A G = J I A G. A G X = JX IX A G X. Jei X = X i, 2 i n, yra tikrinis matricos A vektorius, tai A G X i = JX i X i λ i X i = (1 + λ i )X i, nes JX i, sudarytas iš stulpeliu surašytų skaliarinių sandaugų < X 1, X i >= 0. Pastaroji lygybė yra teisinga dėl vektorių ortogonalumo. Dėl X 1 = (1,..., 1) lygybė A G X 1 = (n 1 d)x 1 yra akivaizdi, nes G yra (n 1 d) reguliarus. Įrodyta. Įdomūs spektro ir grafo skersmens sąryšiai. Pagal apibrėžimą, jeigu d(u, v) yra atstumas tarp viršūnių u ir v (minimalus briaunų skaičius (u v) take), tai grafo skersmuo yra Jungiame grafe diam(g) <. diam(g) = max{d(u, v) : u, v V }. 9 teorema. Jei G = (V, E) yra jungus grafas, o jo spektras turi k skirtingų tikrinių reikšmių, tai diam(g) < k. Įrodymas. Žiupsnis algebros faktų, pritaikytų gretimumo matricai A: (Keilio-Hamiltono t.) matrica A yra savo charakteristinio polinomo šaknis, t.y., p G (A) = 0 - nulinė matrica. jei λ 1 < λ 2 < < λ k yra visos skirtingos spektro reikšmės, tai matrica A yra polinomo k g(λ) := (λ λ j ) j=1 šaknis, t.y., g(a) = 0; be to, tai mažiausio laipsnio polinomas, kurio šaknimi yra A. Polinomas g(λ) vadinamas minimaliuoju matricai A. Grįžtame prie grafo. Jei matricos (1.1) I = A 0, A, A 2,..., A r tiesiškai priklausomos virš R, tai A yra r-ojo laipsnio polinomo šaknis ir atvirkščiai.

6 Vadinasi, kai r < k, išvardinti matricos laipsniai (1.1) yra tiesiškai nepriklausomi. Teoremos teiginys išplauks iš fakto, kad su r = diam(g) sistema (1.1) yra tiesiškai nepriklausoma. Sudarykime tiesinę kombinaciją ir prilyginkime ją nulinei matricai (1.2) c 0 A 0 + c 1 A 1 + + c r A r = 0 Įsitikiname, kad c 0 = c 1 = = c r = 0. Nenulinę pagrindinę įstrižainę turi tik I, todėl c 0 = 0. Tegul u = u i, u j V, i j, realizuojančios d(u i, u j ) = diam(g) = r. Matricos A r elementas, esantis (i, j) pozicijoje, lygus kelių (u i u j ) skaičiui, todėl nelygus nuliui. Bet toje pačioje pozicijoje esantys matricų A 0, A, A 2,..., A r 1 elementai lygūs nuliui, nes nėra trumpesnio (u i u j ) kelio nei iš r briaunų. Vadinasi, iš (1.2) išplaukia c r = 0. Toliau taikome matematinę indukciją. Tegul gavome, kad c r = c r 1 = c l+1 = 0 ir (1.2) virto Nagrinėjame sluoksnį c 1 A + + c l A l = O. V l := {v V : d(u, v) = l}. Jis netuščias, nes grafe buvo net r ilgio takai iš u. Jei v = u j V l, tai dabar matricos A l elementas pozicijoje (i, j) yra nenulinis, o žemesnio laipsnio matricose A i jis nulinis. Todėl ir c l = 0. Pagal indukcijos principą, visi c l = 0. Teorema įrodyta. Teorema bendru atveju nepagerinama: Pilnojo grafo diam(k n ) = 1 ir jis turi 2 skirtingas tikrines reikšmes. Dvidaliam grafui diam(k r,s ) = 2 ir jo spektras turi 3 skirtingas reikšmes: 0, ± rs. Raskite dar bent vieną klasę grafų G, turinčių 1 + diam(g) skirtingų tikrinių reikšmių. Užduotis. Tegul t 3 yra trikampių skaičius grafe G(V, E), V = n ir E = m. Įrodyti, kad Atlikite savarankiškai. tr(a 2 ) = 2m, tr(a 3 ) = 6t 3.

7 2. Kitos spektro savybės Neneigiamų elementų simetrinės nenulinės matricos maksimali tikrinė reikšmė yra teigiama, visos jos realios, tad galime išrikiuoti λ 1 λ 2 λ n. Dar žinoma: λ 1 yra paprastoji tikrinė reikšmė ir vienintelė turinti neneigiamų koordinačių tikrinį vektorių; Jei µ 1 µ 2 µ k, 1 k < n, yra pagrindinės dalinės matricos M, gautos iš A parinkus {1 i 1 < < i k n stulpelius ir eilutes, tai (2.1) λ n k+j µ j λ j, 1 j k. Jei k = n 1, tai λ n µ n 1 µ 2 λ 2 µ 1 λ 1. Simetrinei neneigiamai matricai A turime n n (2.2) min a ij λ 1 max a ij. i i Be to, j=1 (2.3) λ n Xt AX X t X λ 1. Nelygybes galima naudoti tik su vienetinio ilgio vektoriais X R n. Išvada. Indukuotojo grafo G pografio H, kurio eilė yra k tikrinės reikšmės µ j turi persipynimo savybę (2.1). 1 užduotis. Įrodyti, kad grafo maksimali tikrinė reikšmė λ 1 (G). Sprendimas. Tegul u yra ta viršūnė su δ(u) = (G) = k. Imkime žvaigždę, sudarytą iš jos ir gretimųjų viršūnių v i, 1 i k, bei briaunų. Tai indukuotasis pografis. Žvaigždė yra pilnasis dvidalis grafas K 1,k, todėl jos spektras 1 k, 0,..., 0, k. Vadinasi, 1 k λ 1. 2 užduotis. Įrodyti, kad lygybė λ 1 = 0 yra teisinga tada ir tik tada, jei G = K 1. Įrodymas. Netriviali tik viena dalis. Jei grafe G būtų briauna, tai ji sudarytų indukuotąjį pografį K 2, kurio spektras {1, 0}. Vadinasi, tokiu atveju λ 1 1. j=1

8 3 užduotis. Įrodyti nelygybes δ(g) = min u Įrodymas. Pritaikyti (2.2). δ(u) λ 1 (G) = max δ(u). u Kaip jau matėme, kairįjį įvertį galima pakeisti 4 užduotis. Įrodyti nelygybę 1 n δ(u) λ 1. u V Įrodymas. Pritaikyti (2.3) su X = (1,..., 1). (G), bet ir patisklinti. Pritaikykime tas žinias vertindami kitus grafo parammetrus. Primename, kad grafo nepriklausomumo skaičius α(g) yra maksimalus negretimų viršūnių kiekis. Tegul n+, n 0, ir n yra teigiamų, nulinių ir neigiamų tikrinių reikšmių skaičiai. 1 teorema. α(g) min{n n, n n + }. Įrodymas. Nepriklausomos viršūnės sudaro indukuotąjį tuščiąjį pografį iš k := α(g) viršūnių. Pastarojo matrica yra matmenų k k nulinė matrica su nulinėmis tikrinėmis reikšmėmis. Jos atskiria G tikrines reikšmes: λ n k+j µ j = 0 λ j, 1 j k. Taigi λ n λ n k+1 0 ir šių reikšmių yra n (n k + 1) = k. Vadinasi, n n + k. Panašiai, λ 1 λ k 0 ir šių reikšmių yra k. Vadinasi, n n k. Įrodyta. Teorema nepagerinama, nes dėl K n, n = n 1, o α(k n ) = 1. Vertinant grafo chromatųjį skaičių χ(g), pasinaudosime Lema. Jei p := max { δ(h) : H yra indukuotas pografis }, tai χ(g) 1 + p. Įrodymas. Lemos sąlyga leidžia sunumeruoti grafo viršūnes taip, kad taikant godųjį" algoritmą, pakanka 1 + p spalvų. Algoritmas spalvina viršūnes iš eilės pagal numeraciją, kai nebeturi galimybės panaudoti anksčiau naudotą spalvą ima naują iš spalvų sąrašo. Imkime seką H k, 1 k n, indukuotųjų pografių pradėdami nuo didžiausiojo H n = G. Egzistuoja viršūnė x n, kurios laipsnis δ(x n ) p. Apibrėžkime H n 1 ir raskime x n 1 su δ(x n 1 ) p.

Tęsdami pagal indukciją sudarėme seką H n H n 1 H 1 = {x 1 }. Naudodami godųjį" algoritmą spalviname iš eilės x 1, x 2,..., x n. Visada kaimyninių viršūnių bus ne daugiau kaip p, atsiras atliekama spalva ir jai taisyklingai nuspalvinti. Vadinasi, χ(g) 1 + p. Įrodyta 2 teorema. Teisinga nelygybė χ(g) 1 + λ 1. Įrodymas. Visų indukuotųjų pografių H, minimų lemoje, maksimalios tikrinės reikšmės λ 1 (H) λ 1 = λ 1 (G). Teiginys išplaukia iš lemos. 9 3. Tiesinis grafas Apibrėžimas. Grafo G = (V, E) tiesiniu grafu vadinsime grafą L(G) = (E, Ẽ), jei ẽ = e ie j Ẽ tada ir tik tada, kad briaunos e i ir e j yra neprilausomos grafe G. Pavyzdžiai.:... Grafų G ir L(G) spektrai susiję. Lema. Tegul P ir Q yra matricos matmenų n m ir m n atitinkamai ir m n, tai det(xi n P Q) = x n m det(xi m QP ). Čia I m vienetinė m-os eilės matrica. Be įrodymo. Išvada. Jei {λ 1,..., λ n } yra matricos P Q spektras, tai {λ 1,..., λ n, 0,..., 0} yra QP spektras su m n nulių. Teorema. Tegul G = (V, E) yra d reguliarus grafas, m n ir G := L(G) jo tiesinis grafas, tai pastarojo tikrinės reikšmės yra 2 kartotinumo m n ir d 2 + λ kiekvienai λ iš G spektro su tuo pačiu kartotinumu. Įrodymas. Žinoma, kad d reguliaraus grafo G gretimumo matrica A ir incidentumo matrica B susijusios lygybe A = BB t di n, Ar tiesinio grafo L(G) = G matrica à = ((ã ij)) turi panašią išraišką? Pagal apibrėžimą ã ij = 1, kai e i ir e j yra grafo G priklausomos briaunos, ir lygus nuliui priešingu atveju. Skaičiuojame B t B = ((c kl )), 1 k, l m.

10 Turime n c kl = b rk b rl. r=1 Jei k = l, matricos B k-ajame stulpelyje yra lygiai du 1-ai, pažymintys briaunos e k E galus, todėl c kk = 2. Jei k l, iš visų sumos c kl dėmėnų tik vienas yra nenulinis, o pastarasis lygus 1-am. Tai nurodo situaciją, kai e k ir e l turi bendrą galą - k-ąją viršūnę. Reziumuodami matome, kad à = ((ã ij )) = B t B 2I m. Dabar skaičiuodami tikrines reikšmes, galime pritaikyti lemą. Gauname pã(λ) = det ( λi m Ã) = det ( λi m B t B + 2I m ) = det ( (λ + 2)I m B t B ) = (λ + 2) m n det ( (λ + 2)I n BB t) = (λ + 2) m n det ( (λ + 2 d)i n A ) = (λ + 2) m n p A (λ + 2 d). Iš čia išplaukia teoremos teiginys. Nepamirškime, kad viena d reguliaraus grafo tikrinė reikšmė yra d, ji atitinka vienetinių koordinačių vektorių. Užduotis. Rasti Peterseno grafo spektrą. Sprendimas. Žinome grafo K 5 spektrą: {4, 1, 1, 1, 1}. Vadinasi, L(K 5 ) spektras yra { 4 2 + 4 = 6, 4 2 1 = 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2 }. Pateikta aritmetika nurodo atitinkamas tikrinių reikšmių skaičiavimo taisykles. Didžiausia reikšmė 6 yra L(K 5 ) reguliarumo eilė. Jo papildinio L(K 5 ) spektrą irgi jau mokame skaičiuoti. Gauname { 10 1 6 = 3, 1 1 = 2, 2, 2, 2, 1 ( 2) = 1, 1, 1, 1, 1 }. O dabar atradimas: L(K 5 ) yra Peterseno grafas! Įsitikinkite nubrėždami visus čia nagrinėtus grafus. NAUDOTA LITERATŪRA 1. S.M. Cioabă, M.R. Murty, A First Course in Graph Theory and Combinatorics, Hindustan Book Agency, 2009.