Кіріспе

3-дәрежелі барлық төбелері бар граф

Граф теориясының математикалық саласында кубтық граф – барлық төбелерінің дәрежесі үшке тең граф. Басқаша айтқанда, кубтық граф – 3-реттелі граф. Кубтық графтар үшмәнді графтар деп те аталады. Бикубтық граф – кубтық екібөлімді граф.

Симметрия

1932 жылы Рональд М. Фостер кубикалық симметриялық графтардың үлгілерін жинауды бастады, осылайша Фостер санағының негізі қаланды. Көптеген танымал жеке графиктер кубикалық және симметриялық болып табылады, олардың ішінде пайдалы график, Петерсен графигі, Хейвуд графигі, Мёбиус-Кантор графигі, Паппус графигі, Десаргес графигі, Науру графигі, Коксетер графигі, Тутте-Коксетер графигі, Дайк графигі, Фостер графигі және Биггс-Смит графигі бар. В. Т. Тутте симметриялық кубикалық графтарды ең кіші бүтін сан s арқылы жіктеді, мұнда s ұзындығындағы кез келген екі бағытталған жол графтың тек бір симметриясы арқылы бір-біріне сәйкес келеді. Ол s-тің мәні 5-тен аспайтынын көрсетті және s-тің 1-ден 5-ке дейінгі барлық мүмкін мәндері үшін графиктердің мысалдарын келтірді. Жартылай симметриялық кубикалық графтарға Грей графигі (ең кішкентай жартылай симметриялық кубикалық граф), Любляна графигі және Тутте 12 клеткасы жатады. Фрухт графигі – симметриясы жоқ ең кішкентай бес кубикалық графтың бірі: оның тек бір граф автоморфизмі бар, ол сәйкестік автоморфизмі болып табылады.

Түстер мен жеке жиынтықтар

Брукс теоремасы бойынша, толық K4 графигінен басқа, кез келген байланысты кубтық граф үш түстен аспайтын түспен боялуы мүмкін. Сондықтан, K4-тен басқа кез келген байланысты кубтық графтың кем дегенде n/3 төбесінен тұратын тәуелсіз жиыны болады, мұнда n – графтың төбелерінің саны: мысалы, 3 түсті бояудағы ең ірі түстік кластың кем дегенде осы көптеген төбелері бар. Визинг теоремасына сәйкес, кез келген кубтық графтың қабырғаларын бояу үшін үш немесе төрт түс қажет. 3 қабырғаны бояу – Тайт бояуы деп аталады, ол графтың қабырғаларын үш толық сәйкестікке бөледі. Кёнигтің сызықтық бояу теоремасы бойынша, кез келген бикубтық графтың Тайт бояуы болады. Тайт бояуы жоқ, көпірсіз кубтық графтар сарқырамалар (snarks) деп аталады. Оларға Петерсен графигі, Тиетце графигі, Блануша сарқырамасы, гүл сарқырамасы, қос жұлдыз сарқырамасы, Секерес сарқырамасы және Уоткинс сарқырамасы жатады. Сарқырамалардың саны шексіз.

Топология және геометрия

Кубтық графтар топологияда бірнеше тәсілмен туындайды. Мысалы, 2g2 төбесі бар кубтық графтар g ≥ 2 туысы бар бетті шалбар жұптарына бөлудің әртүрлі жолдарын сипаттайды. Егер графикті 1 өлшемді CW кешені ретінде қарастырсақ, кубтық графтар жиі кездеседі, себебі 1 ұяшықты бекіту карталарының көпшілігі графиктің 0 қаңқасынан бөлек болады. Кубтық графтар үш өлшемдегі қарапайым полиэдрлердің графтары түрінде де құрылады, мысалы, әр төбесіне үш жақ тірелетін тұрақты додекаэдр сияқты полиэдрлер. Кез келген график ендірілісі екі өлшемді бетке кубтық график құрылымы ретінде, яғни график кодталған карта ретінде бейнелене алады. Бұл құрылымда кубтық графтың әрбір төбесі ендірілістің жалаушасын – бір-бірімен байланысты төбе, қабырға және беттен тұратын үштік жиынтығын көрсетеді. Әр жалаудың үш көршісі – одан осы байланысты үштік жиынтығының бір мүшесін өзгертіп, қалған екі мүшесін өзгертусіз алу арқылы алынған үш жалау.

Гамильтондық

Гаммильтондық кубикалық графтар туралы көптеген зерттеулер жүргізілді. 1880 жылы П. Г. Тайт әрбір текше көпжақты графтың Гамильтон айналымы бар деп болжады. Уильям Томас Тютте 1946 жылы 46 төбелі Тютте графымен Тайттың болжамына қарсы мысал келтірді. 1971 жылы Тютте барлық бикубтық графтар Гамильтондық деп болжады. Бірақ, Джозеф Хортон 96 төбелі қарсы мысал, Хортон графы келтірді. Кейін Марк Эллингэм тағы екі қарсы мысал құрды: Эллингэм-Хортон графтары. Барнеттің болжамы, Тайт және Тютте болжамдарының әлі де ашық комбинациясы, әрбір бикубтық көпжақты графтың Гамильтондық екенін айтады. Кубикалық граф Гамильтондық болғанда, LCF нотациясы оны ықшам түрде көрсетуге мүмкіндік береді. Егер n төбелі кубикалық графтардың арасынан біркелкі кездейсоқ таңдалса, онда ол Гамильтондық болуы ықтимал: n төбелі кубикалық графтардың Гамильтондық үлесі n шексіздікке жақындағанда бірге жуықтасады. Дэвид Эппштейн әрбір n төбелі кубикалық графтың ең көп дегенде 2n/3 (шамамен 1,260n) ерекше Гамильтон айналымы бар екенін болжады және осындай айналымдары бар кубикалық графтардың мысалдарын ұсынды. Гамильтон айналымдарының саны бойынша ең жақсы дәлелденген бағалау: .

Басқа қасиеттері

Кез келген n төбесі бар кубикалық графтың жол ені ең көп дегенде n/6-қа тең. Кубикалық графтардың жол ені үшін белгілі ең төменгі шек 0,082n болып табылады. Бұл төменгі шек пен n/6 жоғарғы шек арасындағы айырманы қалай қысқарту әлі белгісіз. 1736 жылы Леонард Эйлер графтар теориясы бойынша жарияланған алғашқы мақаласында дәлелдеген қол алысу леммасы бойынша, кез келген кубикалық графтың төбелерінің саны жұп болады. Петерсен теоремасы бойынша, кез келген көпірсіз кубикалық графтың толық сәйкестігі болады. Ловас және Пламмер кез келген көпірсіз кубикалық графтың экспоненциалдық саны толық сәйкестіктерге ие деген болжам айтты. Бұл болжам жақында дәлелденді, нәтижесінде n төбесі бар кез келген көпірсіз кубикалық графтың кем дегенде 2n/3656 толық сәйкестігі бар екендігі көрсетілді.

Алгоритмдер мен күрделілік

Бірнеше зерттеушілер тек кубтық графтармен шектелген экспоненциалды уақыт алгоритмдерінің күрделілігін зерттеді. Мысалы, графтың жол бойынша жіктелуіне динамикалық бағдарламалауды қолдану арқылы Фомин мен Хойе олардың ең үлкен тәуелсіз жиынтықтарын 2<sup>n</sup>/6 + o(n) уақытында табуға болатынын көрсетті. Бірнеше маңызды графтарды оңтайландыру мәселелері APX-қатты, яғни, олардың жуықтау алгоритмдері бар, олардың жуықтау қатынасы тұрақтымен шектеледі, бірақ олардың жуықтау қатынасы 1-ге жақындайтын полиномиалдық уақытты жуықтау схемалары жоқ, егер P=NP болмаса. Бұларға ең кішкентай төбелік қаптама, ең үлкен тәуелсіз жиынтық, ең кішкентай үстемдік жиынтығы және ең үлкен кесінді табу мәселелері кіреді. Кроссинг саны (кәз келген графты сызуда қиылысатын ең аз қабырғалар саны) кубтық графтар үшін NP-қатты, бірақ жуықтауға болады. Кубтық графтардағы Саяхатшы мәселесін 1153/1152-ден кем фактормен жуықтау NP-қатты екені дәлелденді.