Кіріспе

Графтар теориясында, G графының метрикалық өлшемі – S төбелерінің ең кішкентай кардиналдығы, мұнда барлық басқа төбелер S-дегі төбелерге дейінгі қашықтықтары арқылы бірегей түрде анықталады. Графтың метрикалық өлшемін табу – NP қиын мәселе; оның шешімдік нұсқасы, яғни метрикалық өлшемінің белгілі бір мәннен кем екенін анықтау – NP толық.

Толық анықтама

Байланысқан граф G-дегі төбелердің реттелген ішкі жиыны және графтың v төбесі үшін, W-ге қатысты v-нің бейнесі – реттелген k-тупл болып табылады, мұнда d(x,y) x және y төбелері арасындағы қашықтықты көрсетеді. Егер W жиыны G графының кез келген екі төбесі үшін ерекше бейнелерді қамтамасыз етсе, онда ол G-нің шешу жиыны (немесе орналасу жиыны) деп аталады. G графының метрикалық өлшемдері – G үшін шешу жиынының ең кіші кардиналдығы. Ең аз төбелер саны бар шешу жиыны G үшін негіз (немесе анықтама жиыны) деп аталады. Шешу жиындары графтар үшін тәуелсіз түрде және енгізілген, ал шешу жиыны және метрикалық өлшем ұғымдары Блюментальдің «Қашықтық геометриясының теориясы және қолданбалары» монографиясында метрикалық кеңістіктердің жалпы контекстінде одан да ертерек анықталған. Графтар – бұл өздерінің ішкі жол метрикасымен ерекшеленетін метрикалық кеңістіктердің нақты мысалдары.

Ағаштар

Егер ағаш жол болса, оның метрикалық өлшемі бірге тең. Әйтпесе, L ағаштағы бірінші дәрежелі жапырақтар жиыны болсын. K – екіден жоғары дәрежелі түйіндер жиыны болсын, олар екі дәрежелі түйіндер арқылы бір немесе бірнеше жапырақтарға қосылған. Метрикалық өлшем |L| – |K| тең. Осы кардиналдықтағы негіз K-дегі әрбір түйінге сәйкес келетін L-ден бір жапырақты алып тастау арқылы құрастырылуы мүмкін. Дәл осы алгоритм ағаштың сызықтық графигі үшін де жарамды, сондықтан кез келген ағаш пен оның сызықтық графигінің метрикалық өлшемдері бірдей.

Кезектілік, метрикалық өлшем және диаметр арасындағы қатынастар

диаметрі мен метрикалық өлшемдері бар кез келген n төбелік граф үшін теңсіздікті дәлелдеуге болады. Бұл шектеулердің себебі – шешілетін жиынға кірмейтін әрбір төбе, 1 мен арасындағы бүтін сандардан тұратын ұзындығы қашықтық векторымен бірегей түрде анықталады (мұндай векторлардың саны дәл ). Дегенмен, бұл шектеу тек немесе үшін ғана орындалады; дәлірек шектеу дегені дәлелденді. Нақты графтар кластары үшін кішірек шектеулер болуы мүмкін. Мысалы, ағаштар үшін (D жұп мәндерде болғанда шектеу тығыз) және сыртқы жазықтық графтар үшін түріндегі шектеулер дәлелденді. Осы авторлар t ретіндегі толық графты кіші граф ретінде қамтымайтын графтар үшін деп дәлелдеді, сондай-ақ хордалық графтар мен шектелген ағаш ені бар графтар үшін шектеулер келтірді. Авторлар интервалдық графтар мен пермутациялық графтар үшін түріндегі шектеулерді, ал бірлік интервалдық графтар, екі бөлікті пермутациялық графтар және кографтар үшін түріндегі шектеулерді дәлелдеді.

Шешімнің күрделілігі

Графиктің метрикалық өлшемі берілген бүтін санды аспаса, оны анықтау NP-толық мәселе. Бұл мәселе шектелген дәрежелі жазық графиктер, бөлінген графиктер, екі жақты графиктер және олардың толықтырулары, екі жақты графиктердің желілік графиктер, бірлік дискілік графиктер, диаметрі 2-ге тең интервалдық графиктер, диаметрі 2-ге тең пермутациялық графиктер және шектелген ағаш ені бар графиктер үшін де NP-толық болып қалады. Кез келген тұрақты k үшін, метрикалық өлшемі k-дан аспайтын графиктерді барлық мүмкін k түйіндік жиынтықтарды тексеру арқылы полиномдық уақытта тануға болады, бірақ бұл алгоритм тұрақты параметрлі емес (табиғи параметр k үшін, шешімнің мөлшері). , қойған сұраққа жауап беру арқылы метрикалық өлшемді шешу мәселесінің параметрленген күрделілік класы W[2] үшін толық екенін көрсетті, бұл осы қарапайым алгоритммен қол жеткізілген nO(k) уақытының оптималды болуы мүмкін екенін және k параметрі бойынша тұрақты параметрлі алгоритмнің болуының ықтимал еместігін білдіреді. Дегенмен, мәселе интервалдық графиктерге және жалпы алғанда, шектелген ағаш ұзындығы бар графиктерге, мысалы, хордалық графиктерге, пермутациялық графиктерге немесе астероидтік үштіксіз графиктерге шектелгенде тұрақты параметрлі болады. Ағаштың метрикалық өлшемі берілген бүтін санды аспаса, оны анықтау сызықтық уақытта жүзеге асырылуы мүмкін. Кографтар, тізбекті графиктер және кактус блок графиктер үшін (кактус графиктер мен блок графиктерді қамтитын класс) басқа сызықтық уақыт алгоритмдері де бар. Мәселе сыртқы жазық графиктерде полиномдық уақытта шешілуі мүмкін. Оны шектелген цикломатикалық саны бар графиктер үшін де полиномдық уақытта шешуге болады, бірақ бұл алгоритм тағы да тұрақты параметрлі емес (параметр "цикломатикалық сан" үшін), өйткені полиномдағы көрсеткіш цикломатикалық санға байланысты. "Түйін қаптамасы", "максималды жапырақ саны" және "модульдік ені" параметрлері үшін метрикалық өлшем мәселесін шешуге арналған тұрақты параметрлі алгоритмдер бар. Шектелген цикломатикалық сан, түйін қаптамасының саны немесе максималды жапырақ саны бар графиктердің ағаш ені шектелген, алайда метрикалық өлшем мәселесінің күрделілігін, тіпті ағаш ені 2-ге тең графиктерде (яғни, сериялық-параллель графиктерде) анықтау әлі де ашық мәселе болып қалады.

Таратудың күрделілігі

Кез келген n төбесі бар графтың метрикалық өлшемі полиномиалдық уақытта, жиынтық жапсыру мәселесі ретінде қарастырылып, шамамен есептелуі мүмкін. Бұл мәселе берілген жиынтықтағы барлық элементті, берілген жиын отбасынан ең аз жиынтық санымен жабуды қамтиды. Метрикалық өлшем мәселесінен құрылған жиынтық жапсыру мәселесінде, жабуға тиіс элементтер – ажыратылатын төбелер жұптары, ал оларды жаба алатын жиынтықтар – бір таңдалған төбеден ажыратылатын жұптар жиынтығы болып табылады. Содан кейін жиынтық жапсыруға арналған стандартты шамалау алгоритмдерін қолдану арқылы шамамен байланысқа қол жеткізіледі. Сондай-ақ, қашықтық векторларының эквиваленттілік кластары арасындағы энтропия айырмашылығына сәйкес төбелерді таңдайтын тағы бір алдамшы алгоритм, таңдау алдында және кейін тіпті жақсырақ шамалау қатынасына жетеді. Бұл шамалау қатынасы мүмкін ең жақсы шамалауға жақын, себебі стандартты күрделілік теориялық болжамдар бойынша, кез келген мәселе үшін полиномиалдық уақытта жақсырақ шамалау қатынасына қол жеткізу мүмкін емес. Бұл шамалау қиындығы субкубикалық графтарға, тіпті екі бөлікті субкубикалық графтарға шектелген жағдайларда да сақталады.