Кіріспе

Графтың барлық жұп дәрежелі субграфтары – граф теориясындағы ұғым. Граф теориясы, математиканың бір саласы ретінде, бағытталмаған графтың (бинарлық) цикл кеңістігі – оның жұп дәрежелі субграфтарының жиынтығы болып табылады. Бұл субграфтар жиынтығын алгебралық тұрғыдан екі элементті шекті дене үстіндегі векторлық кеңістік ретінде сипаттауға болады. Бұл кеңістіктің өлшемі – графтың циклдік ранкі. Осы кеңістікті алгебралық топология терминдерімен графтың бірінші гомология тобы ретінде де сипаттауға болады. Гомология теориясын пайдалану арқылы бинарлық цикл кеңістігін кез келген сақинадағы цикл кеңістіктеріне обобщауға болады.

Анықтамалар

Графтың циклдық кеңістігі математикалық түсінік деңгейінің артуымен субграфтар жиынтығы, екілік векторлық кеңістік немесе гомологиялық топ ретінде сипатталуы мүмкін.

Граф теориясы

Берілген G графигінің созылатын субграфы G жиектерінің кез келген S жиынынан құрастырылуы мүмкін. Субграфтың G-дің өзімен бірдей төбелері болады (осының мағынасы "созылатын" сөзінде), бірақ жиектері S жиынынан алынады. Осылайша, m жиегі бар G графигінің 2m созылатын субграфы болады, оның ішінде G-нің өзі және G-нің сол төбелеріндегі бос граф та бар. G графигінің барлық созылатын субграфтарының жиынтығы G графигінің жиек кеңістігін құрайды. G графигі немесе оның кез келген субграфы, егер оның әрбір төбесіне жұп санда инцидентті жиектер келсе (бұл сан төбелік дәреже деп аталады), Эйлерлік деп аталады. Бұл қасиет Леонард Эйлерге есім берілген, ол 1736 жылы "Кенигсбергтің жеті көпірі" еңбегінде, байланысқан графтың әрбір жиегін дәл бір рет аралайтын турдың бар екенін дәлелдеді, егер және тек қана граф Эйлерлік болса. Дегенмен, цикл кеңістіктерін анықтау үшін Эйлерлік субграф байланысқан болуы міндетті емес; мысалы, барлық төбелері бір-бірінен оқшауланған бос граф осы мағынада Эйлерлік болып табылады. Графтың цикл кеңістігі – оның Эйлерлік созылатын субграфтарының жиынтығы. Цикл кеңістігінің де алгебралық құрылымы бар, бірақ ол шектеулірек. Екі Эйлерлік субграфтың біріктірілісі немесе қиылысы Эйлерлік болуы міндетті емес. Алайда, екі Эйлерлік субграфтың симметриялық айырмасы (екі берілген графтың тек біреуіне ғана тиесілі жиектерден тұратын граф) қайтадан Эйлерлік болады. Бұл өрісте 0 және 1 екі элементі бар, ал оның қосу және көбейту амалдары 2 модулі бойынша алынған бүтін сандардың қосу және көбейтуі ретінде сипатталады. Векторлық кеңістік – белгілі бір қасиеттерді қанағаттандыратын қосу және скалярлық көбейту амалдарымен бірге элементтер жиынтығы, олар таныс нақты векторлық кеңістіктердің қасиеттерін жалпылайды. Цикл кеңістігі үшін векторлық кеңістіктің элементтері – Эйлерлік субграфтар, қосу амалы – симметриялық айырма, скалярмен көбейту 1 скаляры үшін сәйкестік амалы, ал 0 скалярымен көбейту кез келген элементті бос графқа айналдырады, ол цикл кеңістігі үшін қосу сәйкестік элементін құрайды. Жиек кеңістігі де симметриялық айырманы қосу ретінде векторлық кеңістік болып табылады. Векторлық кеңістіктер ретінде цикл кеңістігі және графтың кесу кеңістігі (графтың кесулерін жабатын жиек жиынтықтарының жиыны) жиек кеңістігінде бір-біріне ортогональды толықтырғыштар болып табылады. Бұл, жиектердің бір жиыны A графтың кесуін құрайды, егер және тек қана әрбір Эйлерлік субграф A жиынымен жұп санда ортақ жиектерге ие болса, ал A жиыны Эйлерлік субграфты құрайды, егер және тек қана әрбір кесу A жиынымен жұп санда ортақ жиектерге ие болса.

Сұлбаның рөлі

Векторлық кеңістік ретінде, төбелері, қабырғалары және байланысқан компоненттері бар графтың циклдық кеңістігінің өлшемі . Бұл сан топологиялық тұрғыдан графтың бірінші Бетти саны ретінде түсіндіріледі. Кез келген Эйлерлік кішіграфты қарапайым циклдерге – барлық төбелерінің дәрежесі нөл немесе екіге тең және екі дәрежелі төбелері байланысқан жиын құрайтын кішіграфтарға жіктеуге болады. Сондықтан, негіздің барлық элементтері қарапайым циклдерден тұратын негізді табу әрқашан мүмкін. Мұндай негіз берілген графтың циклдық негізі деп аталады. Күштірек айтқанда, негіз элементтері индукцияланған циклдер немесе тіпті (3-төбелік байланысқан графта) индукцияланған циклдер болуы мүмкін, оларды алып тастағанда қалған граф бөлінбейді.

Негізгі және әлсіз негізгі негіздер

Циклдік негізді құрудың бір жолы – графтың максималды орманын құру, содан кейін орманға кірмейтін әрбір қабырға үшін, оның екі ұшын орман ішіндегі жолмен қосатын цикл құру. Осылай құрылған циклдар сызықтық тәуелсіз (әрқайсысы басқа циклдардың ешқайсысына жатпайтын қабырғаны қамтиды) және негіз болуға қажетті өлшемге ие, сондықтан ол міндетті түрде негіз болып табылады. Осылай құрылған негізге (таңдалған орманға қатысты) негізгі циклдік негіз деп аталады.

Ең төменгі салмақ негіздері

Егер графтың қабырғаларына нақты сандық салмақтар берілсе, кіші графтың салмағы оның қабырғаларының салмақтарының қосындысы ретінде есептелуі мүмкін. Цикл кеңістігінің ең төмен салмақты негізі міндетті түрде цикл негізі болып табылады және оны полиномиалдық уақытта құрастыруға болады. Осыдан, ендірудің шектеулі жақтарының жиынтығы жазық граф үшін цикл негізін құрайды: осы циклдар жиынтығынан шектеусіз жақты алып тастау, әр Эйлерлік кіші графты екі түрлі жолмен емес, тек бір жолмен ғана құру мүмкіндігін қамтамасыз етеді.

Мак Лейннің жазықтық критерийі

Мак-Лейннің жазықтық критерийі, Саундерс Мак-Лейннің есімімен аталады, жазық графиктерді олардың циклдық кеңістіктері және циклдық негіздері арқылы сипаттайды. Ол, шекті бағытталмаған график жазық болады, егер және тек қана егер графикте әрбір қабырғасы ең көп дегенде екі негіздік циклға қатысатын циклдық негіз болса. Жазық графикте, ендірудің шектелген жақтарының жиынтығынан құрылған циклдық негіз міндетті түрде осы қасиетке ие: әрбір қабырға ол бөліп тұрған екі жақ үшін ғана негіздік циклдарға қатысады. Керісінше, егер циклдық негіздің әрбір қабырғасында ең көп дегенде екі цикл болса, онда оның циклдарын графиктің жазық ендіруінің шектелген жақтарының жиынтығы ретінде пайдалануға болады.

Дуальділік

Жазық графтың циклдық кеңістігі оның дуалды графигінің кесу кеңістігімен бірдей, және керісінше. Жазық граф үшін ең төмен салмақты циклдық негіз, оның шектелген жақтарынан құралған негізбен сәйкес келе бермейді: ол жақтар емес циклдарды қамтуы мүмкін, ал кейбір жақтар ең төмен салмақты циклдық негізде цикл ретінде енгізілмеуі мүмкін. Бір-бірімен қиылыспайтын ең төмен салмақты циклдық негіз бар: негіздегі кез келген екі цикл үшін, циклдар шектелген жақтардың бөлек жиынтықтарын қамтиды немесе екі циклдың біреуі екіншісін қамтиды. Циклдық кеңістіктер мен кесу кеңістіктері арасындағы дуалдық байланысқа сәйкес, жазық граф үшін бұл негіз дуалды графтың Гомори-Ху ағашына сәйкес келеді, оның кесу кеңістігі үшін ең төмен салмақты негіз.

Жоқ-жоқ ағындары

Жазық графиктерде, әртүрлі түстермен бояулар, модуль бойынша бүтін сандар сақинасы бойынша нөлдік емес ағындармен екілік болып табылады. Бұл екілікте екі жапсарлас аймақтың түстерінің айырмасы, аймақтарды бөлетін қабырға арқылы ағын мәнімен көрсетіледі. Атап айтқанда, нөлдік емес 4 ағынның болуы төрт түс теоремасына эквивалентті. Снарк теоремасы бұл нәтижені жазық емес графиктерге жалпылайды.