Кіріспе

3 түзу графигі, үш жиекпен боялмаған график теориясындағы термин. Граф теориясының математикалық саласында, снарк – бұл әр төбесінде дәл үш жиегі бар, бағытталмаған график, оның жиектерін үш түспен бояу мүмкін емес. Тривиальды жағдайларды болдырмау үшін, снарктар көбінесе олардың байланысына және циклдерінің ұзындығына қосымша талаптармен шектеледі. Сансыз көп снарктар бар. Төрт түс теоремасының эквивалентті формаларының бірі – әрбір снарк жазық емес граф. Снарктарды зерттеу 1880 жылы Питер Г. Тайттың төрт түс теоремасы бойынша жұмысында басталды, бірақ олардың атауы 1976 жылы Мартин Гарднер бергеннен әлдеқайда жаңа. Түстермен бояудан басқа, снарктар граф теориясындағы басқа да қиын мәселелермен байланысты: "Комбинаторика электрондық журналында" жазған Мирослав Чладный мен Мартин Шковиера, олар атап өткен мәселелерден басқа, В. Т. Тюттенің снарк болжамы Петерсен графтарының снарктардың кіші графтары ретінде болуына қатысты; оның дәлелі көптен бері жарияланды деп хабарланды, бірақ әлі де жарияланбаған және нөлдік 4 ағымның бар екендігі туралы ерекше жағдайды шешеді.

Анықтама

Снарктардың нақты анықтамасы авторлар арасында әр түрлі, бірақ көбінесе тек үш түспен бояу мүмкін болмайтын кубтық графтарды (әр төбесінде дәл үш қабырғасы бар) білдіреді. Визинг теоремасы бойынша, кубтық графтың қабырғаларын бояу үшін қажетті түстер саны үш ("бірінші сынып" графтар) немесе төрт ("екінші сынып" графтар) болады, сондықтан снарктар – екінші сыныптың кубтық графтары. Дегенмен, снарк екінші сыныпқа тривиальды себептермен жатпауы немесе кіші графтардан тривиальды түрде құрылмауы үшін, байланыс пен цикл ұзындығына қосымша шектеулер жиі қойылады. Атап айтқанда: Егер кубтық графтың көпірі болса, яғни оны алып тастау оны бөліп тастаса, онда ол бірінші сыныпқа жатпайды. Қол тілесу леммасы бойынша, көпірдің екі жағындағы подграфтардың әрқайсысы жұп емес төбелер санына ие болады. Көпірге қандай үш түс таңдалса да, олардың жұп емес саны осы подграфтарды қалған екі түстің арасында кезектесетін циклдармен жабуға мүмкіндік бермейді, бұл 3 қабырғамен бояуда қажет. Осы себепті, снарктар көбінесе көпірсіз болуы керек. Өзіне-өзі жалғанатын цикл (бұрышты өзіне жалғастыратын қабырға) сол бұрышта бір түсті екі рет пайда етуге себеп болады, бұл графтың қабырғаларын бояудың қалыпты талаптарын бұзады. Сонымен қатар, екі қабырғамен байланысқан екі төбеден тұратын циклді әрқашан екі көршісін байланыстыратын бір қабырғамен алмастыруға болады, бұл графты оның үш қабырғамен боялуын өзгертпей оңайлатады. Осы себептерге байланысты, снарктар көбінесе қарапайым графтармен, яғни циклдары немесе бірнеше іргелестігі жоқ графтармен шектеледі. Егер графта үшбұрыш болса, онда үшбұрыштың үш төбесін бір төбеге біріктіру арқылы оның үш қабырғасын бояуын өзгертпей қайтадан оңайлатуға болады. Сондықтан, снарктардың көптеген анықтамалары үшбұрыштарға тыйым салады. Дегенмен, бұл талап Гарднердің жұмысында да айтылса да, бұл графтарға "снарк" атауын берген Гарднер үшбұрыш бар Тиетце графигін снарк деп атайды. Егер графта төрт төбелі цикл болса, оны циклдің екі қарама-қарсы қабырғасын алып тастау және екі төбелі жолды бір қабырғамен алмастыру арқылы екі түрлі жолмен оңайлатуға болады. Ол үш қабырғамен боялғандығы тек осы жеңілдетулердің біреуі болғанда ғана мүмкін. Сондықтан, Исаакс төрт төбелі циклдардан аулақ болу үшін "тривиальды емес" екінші сыныпты кубтық графты қажет етеді, ал басқа авторлар осы циклдарға тыйым салуда оған еліктейді. Снарк төрт немесе одан аз ұзындықтағы циклдардан аулақ болуы керек деген талапты осы графтардың ең қысқа циклдарының ұзындығы кем дегенде бес екенін айту арқылы қорытындылауға болады. Көбірек айтқанда, қолданылған анықтама бойынша, снарктар 4 қабырғамен циклдік байланысқан болуы керек. Яғни, үш немесе одан аз қабырғадан тұратын ешбір жиынтық болмайды, оларды алып тастау графты кем дегенде бір циклға ие екі подграфқа бөліп тастамайды. Бринкманн және басқалар снаркты бес немесе одан да көп айналымға және екінші сыныпқа жататын, 4 қабырғамен циклдік байланысқан кубтық граф деп анықтайды; олар айналымы төрт болатынға рұқсат ету үшін "әлсіз снарк" деп анықтайды. Бұл анықтамалар тек қана беске дейінгі айналымдарды қарастырғанмен, кез келген үлкен айналымға ие снарктар бар.

Қасиеттері

Питер Г. Тайт төрт түстің теоремасы әрбір снарк жазықтық емес болса ғана дұрыс екенін дәлелдеді. Бұл теорема әрбір жазық графтың төрт түспен боялған төбелері болатынын айтады, бірақ Тайт максималды жазық графтардың 4 түсті бояуын олардың қос графтарының 3 қабырға бояуына қалай түрлендіруге болатынын көрсетті, олар кубикалық және жазық, және керісінше. Сондықтан жазық снарк төрт түстің теоремасына қарсы мысал ретінде міндетті түрде екілік болады. Осылайша, төрт түстің теоремасын дәлелдеу барлық снарктардың жазық емес екенін көрсетеді. Барлық снарктар Гамильтондық емес: кубикалық графтың Гамильтондық циклы болғанда, оның қабырғаларын әрқашан 3 түспен бояуға болады, цикл үшін екі түсті, ал қалған қабырғалар үшін үшінші түсті ауыстырып. Дегенмен, көптеген белгілі снарктар Гамильтондық болуға жақын, яғни олар гипогамильтондық графтар: кез келген бір төбесін алып тастау Гамильтондық кішграфты қалдырады. Гипогамильтондық снарк міндетті түрде бикритикалық болуы керек: кез келген екі төбесін алып тастау үш қабырғамен боялған кішграфты қалдырады. Кубикалық графтың тақ саны – кез келген циклдар жүйесінде әр төбеге бір рет кіретін (2-ге көбейтінді) тақ циклдардың ең аз саны ретінде анықталады. Снарктардың Гамильтондық циклдары болмағандықтан, олардың оң тақ саны бар: толыққанды 2-ге көбейтіндісі 3 қабырғамен бояуға әкеледі, және керісінше. Снарктардың шексіз отбасыларын құрастыруға болады, олардың тақ саны төбелерінің санымен сызықтық түрде өседі. Циклдік қос жабу болжамы әрбір көпірсіз графта әр қабырғаны екі рет жабатын циклдар жиынтығын табуға болады, немесе эквивалентті түрде графты бетке кіріктіруге болады, яғни кіріктірудің барлық жақтары қарапайым циклдар болады. Кубикалық графтың 3 қабырғасы болса, онда әр түс жұбынан құралған циклдардан тұратын циклдік қос жабу болады. Сондықтан кубикалық графтар арасында снарктар ғана қарсы мысал бола алады. Жалпы, снарктар осы болжамның қиын жағдайы болып табылады: егер ол снарктар үшін дұрыс болса, онда ол барлық графтар үшін дұрыс. Осыған байланысты Бранко Грунбаум ешқандай снарктың бетке кіріктірілмейтінін болжады, мұнда барлық жақтары қарапайым циклдар болады және әр екі жақ немесе толыққанды бөлек болады, немесе бір ғана қабырғаны бөліседі. Егер кез келген снарқтың мұндай кіріктірілуі болса, оның жақтары циклдік қос жабуды құрар еді. Дегенмен, Грунбаумның болжамына қарсы мысал Мартин Кохоль тапты. Берілген циклдік 5-байланысқан кубикалық графтың 3 қабырғамен боялатынын анықтау NP-толық. Сондықтан графтың снарк екенін анықтау co-NP-толық.

Қиындықты болжау

В. Т. Тютте әрбір сарқыраманың Петерсен графигі кіші графигі болатынын болжады. Яғни, ол ең кішкентай сарқырама – Петерсен графигін, кез келген басқа сарқырамадан кейбір қабырғаларын қысқарту және басқаларын жою арқылы құруға болады деп болжады. Балама түсіндірмесі бойынша (өйткені Петерсен графигінің максималды дәрежесі үш), әрбір сарқырама Петерсен графигінен оның кейбір қабырғаларын бөліп құрастырылған кіші графқа ие. Бұл болжам төрт түс теоремасының күшейтілген түрі болып табылады, себебі Петерсен графигін кіші граф ретінде қамтитын кез келген граф жазық емес болуы керек. 1999 жылы Нил Робертсон, Дэниел П. Сандерс, Пол Сеймур және Робин Томас осы болжамды дәлелдегенін жариялады. Бұл нәтижеге қатысты қадамдар жарияланды, бірақ толық дәлелдеме әлі жарияланбаған. Графиктерді бояу және графиктердің кіші графиктеріне қатысты басқа мәселелер мен нәтижелер үшін Хадвигер болжамын қараңыз. Тютте кез келген графтарға қатысты жалпылама да болжады: Петерсен кіші графигі жоқ әрбір көпірсіз графтың нөлдік емес 4-ағыны болады. Яғни, графтың қабырғаларына бағыт пен {1, 2, 3} жиынынан сандар тағайындалуы мүмкін, мұнда әрбір төбеде кіріс сандарының қосындысы, шығыс сандарының қосындысынан азайтылғанда, төртке бөлінеді. Тютте көрскендей, текше графтар үшін мұндай тағайындама тек қана қабырғаларын үш түспен бояу мүмкін болса ғана болады, сондықтан бұл жағдайда болжам сарқырама болжамынан туындайды. Дегенмен, сарқырама болжамын дәлелдеу, текше емес графтар үшін 4-ағынның бар екендігі туралы мәселені шешпейді.