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.
a term in graph theory
In the mathematical field of graph theory, a snark is an undirected graph with exactly three edges per vertex whose edges cannot be colored with only three colors. In order to avoid trivial cases, snarks are often restricted to have additional requirements on their connectivity and on the length of their cycles. Infinitely many snarks exist. One of the equivalent forms of the four color theorem is that every snark is a non planar graph. Research on snarks originated in Peter G. Tait's work on the four color theorem in 1880, but their name is much newer, given to them by Martin Gardner in 1976. Beyond coloring, snarks also have connections to other hard problems in graph theory: writing in the Electronic Journal of Combinatorics, Miroslav Chladný and Martin Škoviera state that
As well as the problems they mention, W. T. Tutte's snark conjecture concerns the existence of Petersen graphs as graph minors of snarks; its proof has been long announced but remains unpublished, and would settle a special case of the existence of nowhere zero 4 flows.
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.
If a cubic graph has a bridge, an edge whose removal would disconnect it, then it cannot be of class one. By the handshaking lemma, the subgraphs on either side of the bridge have an odd number of vertices each. Whichever of three colors is chosen for the bridge, their odd number of vertices prevents these subgraphs from being covered by cycles that alternate between the other two colors, as would be necessary in a 3 edge coloring. For this reason, snarks are generally required to be bridgeless. A loop (an edge connecting a vertex to itself) cannot be colored without causing the same color to appear twice at that vertex, a violation of the usual requirements for graph edge coloring. Additionally, a cycle consisting of two vertices connected by two edges can always be replaced by a single edge connecting their two other neighbors, simplifying the graph without changing its three edge colorability. For these reasons, snarks are generally restricted to simple graphs, graphs without loops or multiple adjacencies. If a graph contains a triangle, then it can again be simplified without changing its three edge colorability, by contracting the three vertices of the triangle into a single vertex. Therefore, many definitions of snarks forbid triangles. However, although this requirement was also stated in Gardner's work giving the name "snark" to these graphs, Gardner lists Tietze's graph, which contains a triangle, as being a snark. If a graph contains a four vertex cycle, it can be simplified in two different ways by removing two opposite edges of the cycle and replacing the resulting paths of degree two vertices by single edges. It has a three edge coloring if and only if at least one of these simplifications does. Therefore, Isaacs requires a "nontrivial" cubic class two graph to avoid four vertex cycles, and other authors have followed suit in forbidding these cycles. The requirement that a snark avoid cycles of length four or less can be summarized by stating that the girth of these graphs, the length of their shortest cycles, is at least five. More strongly, the definition used by requires snarks to be cyclically 4 edge connected. That means there can be no subset of three or fewer edges, the removal of which would disconnect the graph into two subgraphs each of which has at least one cycle. Brinkmann et al. define a snark to be a cubic and cyclically 4 edge connected graph of girth five or more and class two; they define a "weak snark" to allow girth four. Although these definitions only consider constraints on the girth up to five, snarks with arbitrarily large girth exist.
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.