Кіріспе
Спектрлік графтар теориясының математикалық саласында Раманужан графы – спектрлік айырмасы мүмкіндігінше үлкен болатын тұрақты граф (экстремалды графтар теориясына қараңыз). Мұндай графтар өте жақсы спектрлік кеңейтушілер болып табылады. Муртидің шолу мақаласында көрсетілгендей, Раманужан графтары "таза математиканың сан түрлі салаларын біріктіреді, атап айтқанда, сандар теориясы, өкілдік теориясы және алгебралық геометрия". Бұл графтар Шриниваса Раманужанның есімімен аталған, олардың аты Раманужан-Петерсон болжамынан шыққан, ол осы графтардың кейбіреулерін құруда қолданылған.
Анықтама
Жалғастырылған, d реттегі график болсын, онда n төбесі бар, және A матрицасының өзіндік мәндері (немесе спектрі) λ болсын. Граф жалғастырылған және d реттегі болғандықтан, оның өзіндік мәндері шартын қанағаттандырады. Анықтама: Жалғастырылған, d реттегі граф, егер λ-ның ең үлкен абсолюттік мәні d/2-ге тең болса, Раманужан графигі деп аталады. Көптеген дереккөздер Раманужан графиктерін анықтау үшін балама анықтама қолданады (әр λ үшін λ ≤ 2√d шарты орындалса). Басқаша айтқанда, біз "кішкентай" өзіндік мәндерге қосымша рұқсат етеміз. Егер және тек қана граф екібөлікті болса, онда осы балама анықтаманы қанағаттандыратын, бірақ бірінші анықтаманы қанағаттандырмайтын графтар екібөлікті Раманужан графтары деп аталады. Егер граф Раманужан графигі болса, онда ол екібөлікті Раманужан графигі болады, сондықтан Раманужан графтарының болуы күштірек шарт. Тошиказу Сунада байқағандай, реттегі граф Раманужан графигі болады, егер және тек қана оның Ихара зетта функциясы Риман гипотезасының аналогын қанағаттандырса.
Define A connected regular graph is a Ramanujan graph if
Many sources uses an alternative definition (whenever there exists with ) to define Ramanujan graphs. In other words, we allow in addition to the "small" eigenvalues. Since if and only if the graph is bipartite, we will refer to the graphs that satisfy this alternative definition but not the first definition bipartite Ramanujan graphs. If is a Ramanujan graph, then is a bipartite Ramanujan graph, so the existence of Ramanujan graphs is stronger. As observed by Toshikazu Sunada, a regular graph is Ramanujan if and only if its Ihara zeta function satisfies an analog of the Riemann hypothesis.
Нақты мысалдар
Толық графтың спектрі бар, сондықтан ол кез келген үшін Раманужан графигі болып табылады. Толық екі бөлікті графтың спектрі бар, демек ол кез келген үшін екі бөлікті Раманужан графигі болып табылады. Питерсен графигінің спектрі бар, сондықтан ол 3-ретті Раманужан графигі болып табылады. Икосаэдрлік граф 5-ретті Раманужан графигі болып табылады. -ретті Пейли графигі барлық басқа өзіндік мәндерімен -ретті болып табылады, бұл Пейли графиктерін Раманужан графиктерінің шексіз отбасы етеді. Көбірек айтқанда, болатын 2 немесе 3 дәрежелі полиномды қарастырайық, онда -ның көп жиын ретіндегі бейнесі болсын және болсын. Содан кейін -ның элементтерінен алынған генераторлары бар Кейли графигі Раманужан графигі болып табылады. Математиктер әрбір үшін -ретті Раманужан графиктерінің шексіз отбасын құруға көбінесе қызығушылық танытады. Мұндай отбасылар қолдануда пайдалы.
Алгебралық құрылымдар
Раманужан графтарының бірнеше нақты құрылыстары Кейли графтары түрінде пайда болады және алгебралық сипатқа ие. Вини Лидің Раманужанның болжамы және осы нәтижелерге қатысты сандар теориясының басқа да аспектілері туралы шолуына көз жүгіртіңіз. Любоцкий, Филлипс және Сарнак тұрақты Раманужан графтарының шексіз отбасын құру жолын көрсетті, егер p жай сан болса және. Екі дәлел де Раманужанның болжамын қолданады, соның нәтижесінде бұл графтар Раманужан графтары деп аталды. Раманужан графтары болудан басқа, бұл құрылыстар басқа да қасиеттерге ие, мысалы, олардың айналымы – n түйіндік санындағы g. Лубоцкий-Филлипс-Сарнак құрылысын қарастырайық. Жакобидің төрт квадрат теоремасы бойынша, x² + y² + z² + w² = n теңдеуіне, мұнда n тақ сан және x, y, z, w жұп сандар, шешімдердің саны бар. Әрбір мұндай шешімге матрицаны сәйкес қойыңыз. Егер p сандық қалдық модулі болмаса, онда p генераторлары бар Кейли графигін құрыңыз, әйтпесе сол генераторлармен Кейли графигін құрыңыз. Содан кейін граф p санындағы n немесе n төбелеріндегі тұрақты граф болады, p сандық қалдық модулі болып табылатындығына байланысты. Бұл граф Раманужан графигі екені дәлелденген. Моргенстерн кейін Любоцкий, Филлипс және Сарнак құрылысын кеңейтті. Оның кеңейтілген құрылымы p-нің күші болған кезде қолданылады. Арнольд Пизер суперсингулярлы изогениялық графтардың Раманужан графтары екенін дәлелдеді, бірақ олардың айналымы Лубоцкий, Филлипс және Сарнак графтарына қарағанда көбінесе төмен болады. Лубоцкий, Филлипс және Сарнак графтары сияқты, осы графтардың дәрежелері әрқашан жай санға бірі қосылған сан болады.
Ықтималдық мысалдар
Адам Маркус, Дэниел Спилман және Никил Шривастава кез келген үшін шексіз көп реттелі екіжақты Раманужан графтарының бар екенін дәлелдеді. Кейін олар кез келген дәрежедегі және кез келген түйін санының екіжақты Раманужан графтарының бар екенін дәлелдеді. Майкл Б. Коэн осы графтарды полиномиалдық уақытта қалай құрастыруға болатынын көрсетті. Алғашқы жұмыс Билу мен Линиалдың тәсілімен жүргізілді. Олар 2-көтеру деп аталатын операцияны қарастырды, ол түйіндері бар реттелі графты және әр қабырғасына белгі қойып, түйіндері бар жаңа реттелі графты тудырады. Билу мен Линиал әрқашан мұндай белгі қою бар екенін болжады, сонда графтың жаңа өзіндік мәндерінің абсолюттік шамасы тек қана болады. Бұл болжам кез келген үшін дәрежесі және түйіндері бар Раманужан графтарының бар екендігін кепілдейді. Толық графтан бастап, Раманужан қасиетін сақтайтын 2-көтерулерді қайталап қолдану жеткілікті. Көпмүшелерді өзара тізбектеу әдісін қолдана отырып, Маркус, Спилман және Шривастава Маркус, Спилман және Шриваставаның бастапқы жұмысын r-көтерулерге дейін кеңейтті. Кез келген үшін шексіз көп реттелі (екіжақты емес) Раманужан графтарының бар-жоғы әлі де ашық мәселе болып қала береді. Атап айтқанда, мәселе , үшін ашық, бұл ең кіші жағдай, онда сан емес және сондықтан Моргенстерн құрылысымен қамтылмайды.
Раманужан графиктері экспандерлік графиктер ретінде
Раманужан графтарының анықтамасындағы тұрақты асимптотикалық жағынан өткір. Нақтырақ айтқанда, Алон-Боппана шегі бойынша, кез келген және үшін, кемінде түйіні бар барлық -ретті графтар шартын қанағаттандырады. Бұл Раманужан графтарының экспандерлік графтардың ең жақсы нұсқасы екенін білдіреді. -ның нақты шегіне қол жеткізудің нәтижесінде, экспандерлік араласу леммасы Раманужан графтарындағы қабырғалардың біркелкі таралуына қатысты тамаша шектемелер береді, ал графтардағы кез келген кездейсоқ серуен түйіндер санына қатысты логарифмдік араласу уақытына ие: яғни, кездейсоқ серуен (біркелкі) стационарлық таралымға өте жылдам жинақталады. Сондықтан Раманужан графтарының диаметрі де түйіндер санына қатысты логарифмдік түрде шектеледі.
Кездейсоқ графиктер
Алонның болжамын растап, Фридман кездейсоқ графиктердің көптеген отбасылары әлсіз Раманужандық екенін көрсетті. Яғни, кез келген ε және жеткілікті үлкен n үшін, кездейсоқ d-ретті n төбелік граф жоғары ықтималдықпен қанағаттандырады. Бұл нәтиже кездейсоқ графиктердің Раманужандыққа жақын екенін көрсеткенмен, оны Раманужандық графтардың бар екенін дәлелдеуге қолдануға болмайды. Дегенмен, кездейсоқ графиктердің айтарлықтай ықтималдықпен (шамамен 52%) Раманужандық екені болжанады. Тікелей сандық деректерден басқа, бұл болжамды қолдайтын кейбір теориялық аргументтер де бар: d-ретті графиктің спектрлік аралығы кездейсоқ матрицалар теориясынан алынған Трейси-Видом таралымына сәйкес келеді, бұл сол асимптотикалық мінез-құлқысты болжайды.