Кіріспе
10 төбесі және 15 қабырғасы бар кубтық граф. Графтар теориясының математикалық саласында Петерсен графигі – 10 төбесі және 15 қабырғасы бар бағытталмаған граф. Бұл графтар теориясындағы көптеген мәселелерге пайдалы мысал және кері мысал ретінде қызмет ететін кішкентай граф. Петерсен графигі 1898 жылы оны үш қабырғамен боялмайтын ең кішкентай көпірсіз кубтық граф ретінде құрастырған Юлиус Петерсеннің құрметіне аталған. Граф көбінесе Петерсенге жатқызылса да, шындығында ол 12 жыл бұрын Кемпе жазған мақалада пайда болған, онда оның төбелері Десарг конфигурациясының он түзуін бейнелей алатыны және оның қабырғалары конфигурацияның он нүктесінің ешқайсысында қиылыспайтын түзулер жұбын бейнелейтіні көрсетілген. Дональд Кнут Петерсен графигін "графтар үшін жалпы алғанда дұрыс болуы мүмкін көптеген оңтайлы болжамдарға қарсы мысал ретінде қызмет ететін тамаша конфигурация" деп айтады. Петерсен графигі тропикалық геометрияда да кездеседі. Петерсен графигінің үстіндегі конус бес нүктелі рационалды тропикалық қисықтардың модульдік кеңістігімен табиғи түрде сәйкес келеді.
In the mathematical field of graph theory, the Petersen graph is an undirected graph with 10 vertices and 15 edges. It is a small graph that serves as a useful example and counterexample for many problems in graph theory. The Petersen graph is named after Julius Petersen, who in 1898 constructed it to be the smallest bridgeless cubic graph with no three edge coloring. Although the graph is generally credited to Petersen, it had in fact first appeared 12 years earlier, in a paper by Kempe observed that its vertices can represent the ten lines of the Desargues configuration, and its edges represent pairs of lines that do not meet at one of the ten points of the configuration. Donald Knuth states that the Petersen graph is "a remarkable configuration that serves as a counterexample to many optimistic predictions about what might be true for graphs in general." The Petersen graph also makes an appearance in tropical geometry. The cone over the Petersen graph is naturally identified with the moduli space of five pointed rational tropical curves.
Құрылыстар
Петерсен графы – сызықтық графтың толықтырылысы болып табылады. Ол сонымен қатар Кнезер графы болып табылады; яғни, ол 5 элементтен тұратын жиынның әрбір 2 элементтік ішкі жиыны үшін бір төбесі бар, ал егер және тек қана сәйкес 2 элементтік ішкі жиындар бір-бірімен ортақ элементтері болмаса, онда екі төбе жиекпен қосылған. Кнезер графының бір түрі ретінде, ол тақ графтың мысалы болып табылады. Геометриялық тұрғыдан Петерсен графы – гемидодекаэдрдың төбелері мен жиектерінен құралған граф, яғни қарама-қарсы нүктелері, қабырғалары және жақтары біріктірілген додекаэдр.
Тіркелгендер
Питерсен графы жазық емес. Кез келген жазық емес графтың кіші графигінде толық граф немесе толық екі жақты граф болады, бірақ Питерсен графының екеуі де кіші графтар болып табылады. Кіші графты дәл сәйкес келетін қабырғаларды қысқарту арқылы жасауға болады, мысалы, бірінші суреттегі бес қысқа қабырғаны қысқарту арқылы. Кіші графты бір төбесін жою арқылы (мысалы, 3 симметриялық суреттегі орталық төбесін) және жойылған төбесінің әрбір көршісіне тиісті қабырғаны қысқарту арқылы жасауға болады. Питерсен графының ең көп таралған және симметриялық жазық сызбасы, бесбұрыш ішіндегі пентаграмма түрінде, бес қиылысқа ие. Дегенмен, бұл қиылыстарды азайту үшін ең жақсы сызба емес; тек екі қиылысы бар басқа сызба бар (суретте көрсетілген). Ол жазық емес болғандықтан, кез келген сызбада кем дегенде бір қиылыс болады, және егер қиылыс қабырғасы кез келген сызбадан алынып тасталса, ол жазық емес болып қалады және тағы бір қиылыс пайда болады; сондықтан оның қиылыс саны дәл 2-ге тең. Бұл сызбадағы әр қабырға ең көп дегенде бір рет қиылысады, сондықтан Питерсен графы 1-жазықтық деп аталады. Торда Питерсен графы қабырғалары қиылыспай сызылуы мүмкін; сондықтан ол 1-жынысты бағытталған. Питерсен графы барлық қабырғалары бірдей ұзындықта болатындай етіп, жазықтықта (қиылыстармен) сызылуы мүмкін. Яғни, бұл бірлік қашықтықтағы граф. Питерсен графы қиылыстарсыз орналастырыла алатын ең қарапайым бағытталмаған бет – проекциялық жазықтық. Бұл Питерсен графының гемидодекаэдр құрылымымен берілген орналасуы (суретте көрсетілген). Проекциялық жазықтыққа орналасуды Питерсен графының стандартты бесбұрышты сызбасынан, сызбаның ортасына бес нүктелі жұлдыздың ішінде қиылыс қойып, жұлдыз қабырғаларын осы қиылыс арқылы жүргізу арқылы жасауға болады; нәтижесінде сызбада алты бесбұрышты бет пайда болады. Бұл құрылым тұрақты карта құрайды және Питерсен графының бағытталмаған 1-жынысы бар екенін көрсетеді.
Симметриялар
Петерсен графигі күшті түрде реттелген (қолтаңбасы srg(10,3,0,1)). Ол сондай-ақ симметриялық, яғни қабырғалық және төбелік транзитивті. Күштірек айтқанда, ол 3 доғалық транзитивті: Петерсен графигіндегі кез келген бағытталған үш қабырғалық жол, графиктің симметриясы арқылы кез келген басқа осындай жолға айналдырылуы мүмкін. Бұл тек 13 текше арақашықтығы бар реттелген графиктің бірі. Суреттерде көрсетілгендей, Петерсен графигінің суреттері бес немесе үш жолмен симметрияны көрсетуі мүмкін, бірақ Петерсен графигін жазықтықта оның толық симметрия тобын көрсететіндей етіп салу мүмкін емес. Симметрияның жоғары дәрежесіне қарамастан, Петерсен графигі Кейли графигі емес. Бұл Кейли графигі емес ең кішкентай төбелік транзитивті граф.
Гамильтондық жолдар мен циклдер
Петерсен графигінің Гамильтондық жолы бар, бірақ Гамильтондық циклі жоқ. Бұл Гамильтондық циклі жоқ ең кішкентай көпірсіз кубикалық граф. Ол гипогамильтондық, яғни, Гамильтондық циклі болмаса да, кез келген төбесін жою оны Гамильтондыққа айналдырады, және ол ең кішкентай гипогамильтондық граф болып табылады. Гамильтондық циклы жоқ шекті байланысқан төбелік транзитивті граф ретінде Петерсен графигі Ловас гипотезасының бір түріне қарсы мысал болып табылады, бірақ гипотезаның канондық формулировкасы Гамильтондық жол сұрайды және Петерсен графигімен расталады. Гамильтондық циклы жоқ бес байланысқан төбелік транзитивті граф ғана белгілі: толық K2 графигі, Петерсен графигі, Коксетер графигі және Петерсен мен Коксетер графиктерінен әрбір төбесін үшбұрышпен алмастыру арқылы алынған екі граф. Егер G 2-байланысқан, r-ретті граф болса және онда 3r+1 төбеден аспаса, онда G Гамильтондық немесе G Петерсен графигі болады. Петерсен графигінің Гамильтондық циклі C жоқ екенін көрсету үшін, ішкі 5 циклді сыртқыдан бөліп тұратын кесіндегі қабырғаларды қарастырайық. Егер Гамильтондық цикл болса, осы қабырғалардың жұп саны таңдалуы керек. Егер олардың тек екеуі таңдалса, олардың соңғы төбелері екі 5 циклде жанында болуы керек, бірақ бұл мүмкін емес. Сондықтан олардың төртеуі таңдалады. Кесіндегі жоғарғы қабырға таңдалмаған деп есептейік (симметрия бойынша басқа жағдайлар да осылай). Сыртқы циклдың 5 қабырғасының ішінде жоғарғы екі қабырға таңдалуы керек, екі бүйірлік қабырға таңдалмауы керек, сондықтан төменгі қабырға таңдалуы керек. Ішкі циклдың жоғарғы екі қабырғасы таңдалуы керек, бірақ бұл Гамильтондық циклдың бөлігі бола алмайтын, толық емес циклды аяқтайды. Басқаша айтқанда, он төбелі 3-ретті графтарды сипаттауға болады, оларда Гамильтондық цикл бар және олардың ешқайсысы Петерсен графигі емес екенін көрсетуге болады, олардың әрқайсысында Петерсен графигіндегі кез келген циклдан қысқа циклді табу арқылы. Кез келген он төбелі Гамильтондық 3-ретті граф он төбелі цикл C плюс бес хордадан тұрады. Егер кез келген хорда C бойындағы екі төбесін 2 немесе 3 қашықтықта біріктірсе, граф 3 цикл немесе 4 циклға ие болады, сондықтан ол Петерсен графигі бола алмайды. Егер екі хорда C-ның қарама-қарсы төбелерін C бойындағы 4 қашықтықтағы төбелерге жалғаса берсе, онда тағы да 4 цикл пайда болады. Қалған жалғыз жағдай - әрбір қарама-қарсы төбелерді хордамен байланыстыратын Мёбиус бағанасы, ол да 4 циклға ие. Петерсен графигінің айналымы бес болғандықтан, ол осылай құрыла алмайды және Гамильтондық циклы жоқ.
Түстеу
Питерсен графигінің хроматикалық саны 3-ке тең, яғни оның төбелері үш түспен боялуы мүмкін, бірақ екі түспен емес, осылайша бір түстің екі төбесін қосатын қабырға болмайды. Брукс теоремасы бойынша, тізімдік бояу 3 түспен жүзеге асырылады. Питерсен графигінің хроматикалық индексі 4-ке тең; қабырғаларын бояу үшін төрт түс қажет. Хроматикалық индексі төрт болатын, байланысты, көпірсіз кубикалық граф ретінде Питерсен графигі – бұл сарқырама. Бұл мүмкін болатын ең кішкентай сарқырама, және 1898 жылдан 1946 жылға дейін белгілі болған жалғыз сарқырама еді. В. Т. Тютте болжаған және 2001 жылы Робертсон, Сандерс, Сеймур және Томас жариялаған сарқырама теоремасы, әрбір сарқырама Питерсен графигінің кіші графигі болып табылады деп мәлімдейді. Сонымен қатар, графиктің бөлшек хроматикалық индексі 3-ке тең, бұл хроматикалық индекс пен бөлшек хроматикалық индекс арасындағы айырмашылық 1-ге дейін болуы мүмкін екенін көрсетеді. Ұзақ жылдар бойы қолданылып келе жатқан Голдберг-Сеймур болжамы, бұл ең үлкен мүмкін аралық екенін ұсынады. Питерсен графигінің Туе саны (хроматикалық индексінің түрі) – 5. Питерсен графигіне барлық симметрияларын жоятын кез келген (қате болуы мүмкін) бояу үшін кем дегенде үш түс қажет; яғни оның ажырату саны үш. Толық графтардан басқа, бұл ажырату саны екіге тең емес жалғыз Кнезер графигі.
Петерсеннің бояу жорығы
Графтың Эйлерлік субграфы – графтың әр төбесін жұп санда тигізетін, графтың қабырғаларының ішкі жиынынан тұратын субграф. Бұл субграфтар цикл кеңістігінің элементтері болып табылады және кейде циклдер деп аталады. Егер және кез келген екі граф болса, онда графтың қабырғаларынан басқа графтың қабырғаларына дейінгі функция, егер графтың әрбір циклының кері бейнесі графтың циклы болса, циклдік үздіксіз деп анықталады. Ягердің болжамы, әрбір көпірсіз графтың Петерсен графына циклдік үздіксіз бейнелеуі бар екенін күтіп отырады. Ягер бұл болжамның 5 циклді екі есе жабу болжамын және Берж-Фулкерсон болжамын білдіретінін көрсетті.
Қатысушы графиктер
Жалпыланған Петерсен графы тұрақты n-бұрыштың төбелерін Шлефли символы {n/k} болатын жұлдызды көпбұрыштың сәйкес төбелерімен қосып жасалады. Мысалы, осы белгілеуде Петерсен графы былай сипатталады: ол бесбұрыш пен бес қабырғалы жұлдыздың сәйкес төбелерін жалғау арқылы құрылуы мүмкін, ал жұлдыздың қабырғалары әр екінші төбелені қосады. Жалпыланған Петерсен графтарына n призмасы, Дюрер графы, Мёбиус-Кантор графы, додекаэдр, Дезарг графы және Науру графы да кіреді. Петерсен отбасы – Петерсен графынан нөл немесе одан көп ΔY немесе YΔ түрлендірулерін қолдану арқылы құрылатын жеті графтан тұрады. K6 толық графы да Петерсен отбасының құрамында. Бұл графтар байланыссыз графтар үшін рұқсат етілмейтін кіші графтарды құрайды, яғни графтардың екі циклі бірін-бірі байланыстырмай үш өлшемді кеңістікке орналастырыла алатын графтар. Клебш графы Петерсен графигінің көптеген көшірмелерін индукцияланған ішкі графтар ретінде қамтиды: Клебш графигінің әрбір v төбесі үшін v-нің он көршісі жоқ төбелері Петерсен графигінің көшірмесін тудырады.
The Petersen family consists of the seven graphs that can be formed from the Petersen graph by zero or more applications of Δ Y or Y Δ transforms. The complete graph K6 is also in the Petersen family. These graphs form the forbidden minors for linklessly embeddable graphs, graphs that can be embedded into three dimensional space in such a way that no two cycles in the graph are linked. The Clebsch graph contains many copies of the Petersen graph as induced subgraphs: for each vertex v of the Clebsch graph, the ten non neighbors of v induce a copy of the Petersen graph.