Кіріспе

Жазық графиктердің циклдік негіздері. Графтар теориясында Мак-Лейннің жазықтық критерийі – 1937 жылы жариялаған Саундерс Мак-Лейннің есімімен аталған, графиктердің циклдік кеңістіктері арқылы жазық графиктерді сипаттау. Ол шекті бағытталмаған граф жазық болады, егер және тек егер графиктің циклдік кеңістігінде (2-модуль бойынша алынған) циклдік негіз болса, онда графиктің әрбір қабырғасы ең көп дегенде екі негіз векторларына қатысады.

Айтылым

Кез келген граф G-дегі c циклы үшін, c циклындағы қабырғаларға сәйкес келетін координаталарда 1 және қалған координаталарда 0 болатын m өлшемді 0-1 вектор құруға болады. Графтың циклдық кеңістігі C(G) – осылай құрылған векторлардың барлық мүмкін сызықтық комбинацияларынан тұратын векторлық кеңістік. Мак Лейннің сипаттамасында C(G) – екі элементі бар GF(2) шекті өрісіндегі векторлық кеңістік; яғни, бұл векторлық кеңістікте векторлар координата бойынша екі модульде қосылады. G графының 2-негізі – C(G) кеңістігінің негізі, онда G графындағы әрбір e қабырғасы үшін, e-ге сәйкес координатада нөлден өзгеше координатасы бар ең көп дегенде екі негіздік вектор болады. Осылайша, формальды тұрғыда айтқанда, Мак Лейннің сипаттамасы бойынша жазық графиктер – дәл 2-негізі бар графиктер.

Жазық графиктер үшін 2 негіздің болуы

Характеризацияның бір бағыты әрбір жазық графтың 2 негізі болатынын көрсетеді. Мұндай негізді берілген G графының жазық ендіруінің шектелген жақтарының шекараларының жиынтығы ретінде табуға болады. Егер қабырға G графында көпір болса, ол бір жақтың шекарасында екі рет пайда болады, демек сәйкес векторда нөлдік координата болады. Осылайша, нөлдік емес координаталары бар жалғыз қабырғалар екі түрлі жақты бөлетін қабырғалар; бұл қабырғалар бір рет (егер жақтардың бірі шектелмеген болса) немесе шектелген жақтардың шекаралары жиынтығында екі рет пайда болады. Бұл циклдардың негіз құрайтынын дәлелдеу қажет. Мұны индукция арқылы дәлелдеуге болады. Базалық жағдай ретінде G – ағаш, онда шектелген жақтары жоқ, ал C(G) нөлдік өлшемді және бос негізге ие. Әйтпесе, G графының шектелмеген жағынан қабырғаны алып тастау циклдік кеңістіктің өлшемін де, шектелген жақтар санын да бірге азайтады, сонан соң индукция орын алады. Балама ретінде, Эйлер формуласын қолданып, осы жиынтақтағы циклдардың саны G графының циклдік дәрежесіне тең екенін көрсетуге болады, бұл циклдік кеңістіктің өлшемі болып табылады. Циклдардың бос емес кез келген ішкі жиынтығында кіші жиынтақтағы шектелген жақтардың бірігімінің шекарасын көрсететін векторлық қосынды болады, ол бос бола алмайды (бірігімінде кем дегенде бір шектелген жақ кіреді және шектелмеген жақ алынып тасталады, сондықтан оларды бөлетін қабырғалар болуы керек). Сондықтан векторларының қосындысы нөлге тең болатын циклдардың ішкі жиынтығы жоқ, яғни барлық циклдар сызықтық тәуелсіз. Ғарыш өлшемімен бірдей өлшемді сызықтық тәуелсіз жиын ретінде, циклдар жиынтығы негізді құрауы керек.

2-негіздеме бар кезде жазықтықтың қажеттілігі

Вагнер теоремасы арқылы жазықтық графтарды сипаттайтын сипаттаманың басқа бағыты үшін келесі қарапайым аргумент ұсынды. О'Ниллдің айтуынша, 2-негізге ие болу қасиеті граф кішілеулерде сақталады: егер бір қабырға қысқартылса, сол қысқару негіз векторларында да орындалуы мүмкін; егер бір қабырға бір негіз векторда нөлден өзге координатасы бар болса, онда ол вектор негізден алынып тасталуы мүмкін; ал егер бір қабырға екі негіз векторда нөлден өзге координатасы бар болса, онда бұл екі вектор олардың қосындысымен алмастырылуы мүмкін (екілік модуль бойынша). Сонымен қатар, егер C(G) кез келген графтың циклдік негізі болса, онда ол кейбір қабырғаларды дәл бір рет жабуы керек, әйтпесе олардың қосындысы нөлге тең болар еді (негіз үшін мүмкін емес), сондықтан C(G) әрбір қабырға ең көп дегенде екі рет жабылатынын сақтай отырып, осы жеке жабылған қабырғалардан тұратын тағы бір циклмен толықтырылуы мүмкін. Дегенмен, K5 толық графының 2-негізі жоқ: C(G) алты өлшемді, C(G)-дегі әрбір тривиальды емес векторда кем дегенде үш қабырға үшін нөлден өзге координаталары бар, сондықтан кез келген толықтырылған негізде кем дегенде 21 нөлден өзге сан болады, ал он қабырғаның әрқайсысы ең көп дегенде екі негіз векторларында нөлден өзге болса, рұқсат етілген 20 нөлден өзге санды асып түседі. Ұқсас ойлау арқылы, K3,3 толық екі бөлікті графтың да 2-негізі жоқ: C(G) төрт өлшемді, ал C(G)-дегі әрбір тривиальды емес векторда кем дегенде төрт қабырға үшін нөлден өзге координаталары бар, сондықтан кез келген толықтырылған негізде кем дегенде 20 нөлден өзге сан болады, ал тоғыз қабырғаның әрқайсысы ең көп дегенде екі негіз векторларында нөлден өзге болса, рұқсат етілген 18 нөлден өзге санды асып түседі. 2-негізге ие болу қасиетінің кішілеулерге қатысты жабық екендігі және екі кішілеуге минималды жазықтық емес K5 және K3,3 графтарында бұл қасиет орындалмағандықтан, ол басқа жазықтық емес графтар үшін де орындалмайды. Ол алгебралық топологияға негізделген тағы бір дәлел келтірді. Ол жазықтық критерийінің сәл өзгеше тұжырымын қолданады, соған сәйкес граф жазық, егер және тек егер оның әрбір қабырғасын дәл екі рет жабатын (қажетті түрде қарапайым емес) циклдер жиынтығы болса, онда C(G)-дегі осы циклдердің арасындағы жалғыз тривиальды қатынас олардың қосындысы нөлге тең болуы керек. Егер бұл жағдай болса, онда циклдердің кез келгенін тастап кету Мак Лейн критерийін қанағаттандыратын негізді береді. Егер жазықтық граф сфераға енгізілген болса, оның беттік циклдері Лефшец қасиетін анық қанағаттандырады. Керісінше, Лефшец көрскендей, G графында осы қасиетке ие циклдер жиынтығы болған жағдайда, олар міндетті түрде графтың сфераға енгізілуінің беттік циклдерін құрайды.

Қолдану

Мак-Лейннің жазықтық критерийін график жазықтығын тексеру және жазық кіріктірулерді табуға арналған параллель алгоритмнің бір бөлігі ретінде қолданды. Олардың алгоритмі графикті үш байланысты компоненттерге бөледі, содан кейін бірегей жазық кіріктіру (сыртқы жағын таңдауға дейін) пайда болады және 2-негіздегі циклдарды графиктің барлық шеткі циклдары деп қарастыруға болады. Жа'Жа' және Саймон графиктің негізгі циклдық негізінен бастайды (қамтитын ағаштан, ағаштағы жол мен ағаштан тыс қабырғаның барлық мүмкін комбинациясы үшін цикл құрастыру арқылы жасалған циклдық негіз) және оны шеткі циклдардың 2-негізіне түрлендіреді. Бұл циклдар берілген графиктің жазық кіріктіруіндегі жақтарды құрайды. Мак-Лейннің жазықтық критерийі жазық графиктегі шектелген жақ циклдарының санын графиктің контурлық дәрежесі ретінде оңай санауға мүмкіндік береді. Бұл қасиет графиктің торлылық коэффициентін анықтауда қолданылады, ол шектелген жақ циклдарының санының нормаланған түрі, ол контурлық дәрежесін 2n-5-ке бөлу арқылы есептеледі, яғни бірдей төбелік жиынтығы бар жазық графиктің шектелген жақтарының максималды саны.