Введение

В теории графов, вложение в книгу — это обобщение планарного вложения графа для вложений в книгу, представляющую собой набор полуплоскостей, все имеющие одну и ту же линию в качестве границы. Обычно вершины графа должны лежать на этой граничной линии, называемой остовом (или позвоночником), а рёбра должны оставаться в пределах одной полуплоскости. Толщина книги графа — наименьшее возможное число полуплоскостей для любого вложения графа в книгу. Толщина книги также называется номером страниц, номером стопки или фиксированной внешней толщиной. Вложения в книгу также использовались для определения нескольких других инвариантов графа, включая ширину страницы и число пересечений в книге. Каждый граф с n вершинами имеет толщину книги не более , и эта формула даёт точную толщину книги для полных графов. Графы с толщиной книги один — это внешнепланарные графы. Графы с толщиной книги не более двух — это субамильтоновские графы, которые всегда являются планарными; в более общем случае, каждый планарный граф имеет толщину книги не более четырёх. Все минорно-замкнутые семейства графов, и в частности графы с ограниченной шириной дерева или ограниченным родом, также имеют ограниченную толщину книги. Вычислительно сложно определить точную толщину книги заданного графа, с известным или неизвестным фиксированным порядком вершин вдоль остова книги. Сложность проверки существования вложения в книгу из трёх страниц для графа, при заданном фиксированном порядке вершин вдоль остова вложения, неизвестна: не известно, разрешима ли она за полиномиальное время, и не известно, является ли она NP-трудной. Одной из первоначальных мотиваций для изучения вложений в книгу были применения в проектировании ВЛСИ, где вершины вложения в книгу представляют собой компоненты схемы, а провода — соединения между ними. Вложения в книгу также находят применение в визуализации графов, где два стандартных стиля визуализации — диаграммы дуг и циклические схемы — могут быть построены с использованием вложений в книгу. В транспортном планировании различные источники и пункты назначения пешеходного и транспортного потока, встречающиеся и взаимодействующие на светофоре, могут быть математически смоделированы как вершины графа, а рёбра соединяют различные пары «источник-назначение». Вложение в книгу для этого графа может быть использовано для разработки расписания, позволяющего всему трафику пройти через перекрёсток с минимальным количеством фаз светофора. В биоинформатических задачах, связанных со структурой сворачивания РНК, вложения в книгу на одной странице представляют собой классические формы вторичной структуры нуклеиновых кислот, а вложения в книгу на двух страницах — псевдоузлы. Другие применения вложений в книгу включают абстрактную алгебру и теорию узлов.

История

Понятие книги как топологического пространства было определено К. А. Персингером и Гейл Атнеозен в 1960-х годах. В рамках этой работы Атнеозен уже рассматривал вложения графов в книги. Вложения, которые он изучал, использовали то же определение, что и вложения графов в любое другое топологическое пространство: вершины представляются различными точками, рёбра – кривыми, и единственный способ пересечения двух рёбер – это их встреча в общей конечной точке. В начале 1970-х годов Пол Кайнен и Л. Тейлор Оллман разработали более ограниченный тип вложения, который стал использоваться в большинстве последующих исследований. В их формулировке вершины графа должны быть расположены вдоль корешка книги, а каждое ребро должно лежать на одной странице. Важными вехами в дальнейшем развитии вложений в книги являются доказательства Михалиса Яннакакиса в конце 1980-х годов о том, что планарные графы имеют книжную толщину не более четырёх. Книга состоит из одной линии ℓ, называемой корешком или переплётом книги, вместе с набором из одной или нескольких полуплоскостей, называемых страницами или листами книги, каждая из которых имеет корешок в качестве границы. Книги с конечным числом страниц могут быть вложены в трёхмерное пространство, например, выбрав ℓ в качестве оси z в декартовой системе координат и выбрав страницы в качестве k полуплоскостей, чей двугранный угол относительно плоскости xz является целым кратным A. Книжное вложение графа G в книгу B – это книжный чертёж, формирующий вложение графа G в книгу B. То есть, это книжный чертёж графа G на книге B, не имеющий пересечений рёбер. Любой конечный граф имеет книжное вложение в книгу с достаточно большим количеством страниц. Например, всегда можно поместить каждое ребро графа на отдельную страницу. Книжная толщина, количество страниц или номер стека графа G – это минимальное количество страниц, необходимое для книжного вложения G. Другой параметр, измеряющий качество книжного вложения, помимо количества страниц, – это ширина страницы. Она определяется аналогично ширине разреза как максимальное количество рёбер, которые могут быть пересечены лучом, перпендикулярным корешку, внутри одной страницы. Эквивалентно (для книжных вложений, в которых каждое ребро рисуется как монотонная кривая), это максимальный размер подмножества рёбер на одной странице, так что интервалы, определяемые на корешке парами конечных точек рёбер, пересекаются друг с другом. Для этих определений крайне важно, чтобы рёбра оставались только на одной странице книги. Как уже заметил Атнеозен, если рёбра могут вместо этого переходить с одной страницы на другую через корешок книги, то любой граф можно вложить в книгу с тремя страницами, и некоторым графам требуется такое количество пересечений корешка.

Плоскость и внешняя плоскость

Толщина книги данного графа G не превышает один, если и только если G является внешнепланарным графом. Внешнепланарный граф – это граф, имеющий планарное вложение, в котором все вершины принадлежат внешней грани вложения. Для такого графа размещение вершин в том же порядке вдоль позвоночника, как они расположены на внешней грани, обеспечивает вложение данного графа на одну страницу. (Точка сочленения графа обязательно появится более одного раза в циклическом порядке вершин вокруг внешней грани, но только одна из этих копий должна быть включена во вложение книги.) И наоборот, вложение книги на одну страницу автоматически является внешнепланарным вложением. Действительно, если граф встроен на одну страницу, и к позвоночнику присоединена другая полуплоскость, чтобы расширить страницу до полной плоскости, то внешняя грань вложения включает всю добавленную полуплоскость, и все вершины лежат на этой внешней грани. Если граф имеет вложение на два листа, его можно дополнить до планарного гамильтонова графа, добавив (на любой лист) дополнительные ребра между любыми двумя последовательными вершинами вдоль позвоночника, которые еще не смежны, и между первой и последней вершинами позвоночника. Граф Голднера — Харри представляет собой пример планарного графа, который не имеет толщины книги, равной двум: это максимальный планарный граф, поэтому невозможно добавить к нему какие-либо ребра, сохраняя планарность, и у него нет гамильтонова цикла. Все планарные графы, максимальная степень которых не превышает четыре, имеют толщину книги не более двух. Планарные 3-деревья имеют толщину книги не более трех. В более общем случае, все планарные графы имеют толщину книги четыре. Существуют планарные графы, которые имеют толщину книги ровно четыре. Однако подробное доказательство этого утверждения, анонсированное в последующей публикации в журнале, стало известно только в 2020 году, когда Bekos и др. представили планарные графы с шириной дерева 4, которым требуется четыре страницы в любом вложении книги.

Поведение в подразделениях

Разделение каждого ребра графа на два пути по ребрам, путем добавления новых вершин внутри каждого ребра, иногда может увеличить его книжную толщину. Например, алмазный граф имеет книжную толщину один (он внешнепланарный), но его подразделение имеет книжную толщину два (он плоский и субгамильтонов, но не внешнепланарный). Однако этот процесс подразделения также может иногда значительно уменьшить книжную толщину подразделенного графа. Например, книжная толщина полного графа Kn пропорциональна числу его вершин, но подразделение каждого из его ребер на путь из двух ребер приводит к подразделению, книжная толщина которого намного меньше. Несмотря на существование таких примеров, было высказано предположение, что книжная толщина подразделения не может быть значительно меньше, чем у исходного графа. В частности, предполагалось, что существует функция f, такая, что для любого графа G и графа H, полученного заменой каждого ребра в G на путь из двух ребер, если книжная толщина H равна t, то книжная толщина G не превышает f(t). Однако это предположение оказалось неверным: графы, образованные декартовыми произведениями звезд и треугольных мозаик, имеют неограниченную книжную толщину, но подразделение их ребер на шесть путей по ребрам уменьшает их книжную толщину до трех.

Отношение к другим инвариантам графа

Толщина книги связана с понятием толщины – количеством плоских графов, необходимых для покрытия ребер данного графа. Граф G имеет толщину θ, если его можно изобразить на плоскости, раскрасив его ребра в θ цветов так, чтобы ребра одного и того же цвета не пересекались. Аналогично, граф G имеет толщину книги θ, если его можно изобразить в полуплоскости, разместив его вершины на границе полуплоскости, и раскрасить его ребра в θ цветов так, чтобы не было пересечений между ребрами одного цвета. В данной формулировке толщины книги цвета ребер соответствуют страницам книжного вложения. Однако толщина и толщина книги могут существенно различаться: существуют графы (подразделения полных графов), имеющие неограниченную толщину книги, и эта граница является точной для k > 2, а графы рода g имеют конечную толщину книги. В более общем случае, каждая замкнутая по минорам семейство графов имеет ограниченную толщину книги. С другой стороны, 1-планарные графы, не замкнутые по минорам, но некоторые 1-планарные графы, включая K2,2,2,2, имеют толщину книги не менее четырех. Каждый мелкий минор графа с ограниченной толщиной книги является разреженным графом, отношение числа ребер к числу вершин в котором ограничено константой, зависящей только от глубины минора и толщины книги. Иными словами, в терминологии, графы с ограниченной толщиной книги обладают ограниченным расширением. Поскольку графы толщины книги два являются планарными графами, они удовлетворяют теореме о планарных сепараторах: они имеют сепараторы – подмножества вершин, удаление которых разбивает граф на части, каждая из которых содержит не более 2n/3 вершин, при этом в самом сепараторе содержится лишь вершин. Здесь n – число вершин в графе. Однако существуют графы толщины книги три, не имеющие сепараторов сублинейного размера. Ребра на одной странице книжного вложения в некотором смысле ведут себя как структура данных «стек». Это можно формализовать, рассматривая произвольную последовательность операций push и pop над стеком и строя граф, в котором операции над стеком соответствуют вершинам графа, расположенным в порядке их выполнения вдоль «позвоночника» книжного вложения. Затем, если провести ребро от каждой операции pop, извлекающей элемент x из стека, к предыдущей операции push, помещающей x в стек, полученный граф автоматически будет иметь вложение на одну страницу. По этой причине номер страницы графа также называют его «стековым номером». Аналогично, можно рассмотреть произвольную последовательность операций enqueue и dequeue структуры данных «очередь» и построить граф, в котором эти операции являются вершинами, расположенными в порядке их выполнения на «позвоночнике» одной страницы, с ребром между каждой операцией enqueue и соответствующей dequeue. Тогда в этом графе любые два ребра либо пересекаются, либо покрывают непересекающиеся интервалы на «позвоночнике». По аналогии, исследователи определили «очередное вложение» графа как вложение в топологическую книгу, в котором каждая вершина лежит на «позвоночнике», каждое ребро лежит на одной странице, а любые два ребра на одной странице либо пересекаются, либо покрывают непересекающиеся интервалы на «позвоночнике». Минимальное количество страниц, необходимое для очередного вложения графа, называется его «очередным номером».

Комплексность вычислений

Нахождение толщины книги графа является NP-трудной задачей. Это следует из того факта, что нахождение гамильтоновых циклов в максимальных планарных графах является NP-полной задачей. В максимальном планарном графе толщина книги равна двум тогда и только тогда, когда существует гамильтонов цикл. Следовательно, проверка того, равна ли толщина книги данного максимального планарного графа двум, также является NP-полной задачей. Однако для графов, требующих четырех или более страниц, задача поиска вложения с минимально возможным количеством страниц остаётся NP-трудной, в силу эквивалентности NP-трудной задаче раскраски круговых графов, являющихся графами пересечений хорд окружности. Для заданного графа G с фиксированным порядком вершин на развёрзке, при рисовании этих вершин в том же порядке вокруг окружности и рисовании рёбер G в виде отрезков прямых, получается набор хорд, представляющих G. Затем можно построить круговой граф, в котором хорды этой диаграммы являются вершинами, а пересекающиеся пары хорд – рёбрами. Раскраска кругового графа представляет собой разбиение рёбер G на подмножества, которые можно нарисовать без пересечений на одной странице. Следовательно, оптимальная раскраска эквивалентна оптимальному вложению в книгу. Поскольку раскраска кругового графа четырьмя или более цветами является NP-трудной, и поскольку любой круговой граф может быть таким образом получен из некоторой задачи вложения в книгу, следует, что оптимальное вложение в книгу также является NP-трудным. Для фиксированного порядка вершин на развёртке двухстраничного вложения книги также NP-трудно минимизировать количество пересечений, когда это число ненулевое. Однако, поиск двухстраничного вложения, когда порядок развёртки и разбиение рёбер неизвестны, является NP-полной задачей. Нахождение числа пересечений книги графа также является NP-трудной задачей, из-за NP-полноты частного случая – проверки, равно ли число пересечений на двух страницах нулю. Как следствие ограниченного расширения, задача изоморфизма подграфов, то есть определение, существует ли шаблонный граф ограниченного размера как подграф большего графа, может быть решена за линейное время, когда больший граф имеет ограниченную толщину книги. То же самое верно для определения, является ли шаблонный граф индуцированным подграфом большего графа, или имеет ли он гомоморфизм графа в больший граф. По той же причине, задача проверки, удовлетворяет ли граф с ограниченной толщиной книги заданной формуле логики первого порядка, является вычислимой с фиксированными параметрами. Опишите систему для поиска оптимальных вложений в книгу путем преобразования задачи в экземпляр задачи булевой выполнимости и применения решателя SAT к полученной задаче. Авторы утверждают, что их система способна найти оптимальное вложение для 400-вершинных максимальных планарных графов примерно за 20 минут. Вложение в книгу также может использоваться для моделирования размещения проводников, соединяющих компоненты VLSI в слоях схемы.

Рисунок графика

Встраивание книг также часто применяется при визуализации сетевых данных. Два стандартных способа расположения в построении графов – дуговые диаграммы или линейные встраивания. Плоскостные графы, не имеющие двухстраничного встраивания в виде книги, также могут быть изображены аналогичным образом, позволяя их ребрам быть представленными несколькими полукругами над и под линией. Такое изображение не является встраиванием в виде книги в обычном понимании, но называется топологическим встраиванием в виде книги. Для каждого плоскостного графа всегда можно найти такое встраивание, в котором каждое ребро пересекает «позвоночник» не более одного раза. В другом стиле изображения, круговом расположении, вершины графа располагаются на окружности, а ребра рисуются либо внутри, либо снаружи окружности. Опять же, размещение ребер внутри окружности (например, в виде прямых отрезков) соответствует изображению книги на одной странице, а размещение как внутри, так и снаружи окружности – изображению книги на двух страницах. Для одностраничных изображений любого стиля важно поддерживать небольшое количество пересечений, чтобы уменьшить визуальный шум изображения. Минимизация числа пересечений является NP-полной задачей. Минимизация числа пересечений для одно- или двухстраничного встраивания является вычислимой с фиксированными параметрами при параметризации цикломатическим числом данного графа или комбинацией числа пересечений и ширины дерева графа. Также были разработаны эвристические методы для уменьшения сложности пересечений, основанные, например, на тщательном порядке вставки вершин и локальной оптимизации. Встраивания книг с более чем двумя страницами также использовались для построения трехмерных изображений графов. В частности, использовалась конструкция для встраивания книг, поддерживающая низкую степень каждой вершины на каждой странице, как часть метода встраивания графов в трехмерную сетку с малым объемом.

Складка РНК

При изучении того, как молекулы РНК складываются, формируя свою структуру, стандартную форму вторичной структуры нуклеиновой кислоты можно схематически представить как цепь оснований (сама последовательность РНК), нарисованную вдоль линии, вместе с набором дуг над линией, описывающих пары оснований в структуре. То есть, хотя эти структуры на самом деле имеют сложную трехмерную форму, их связность (при наличии вторичной структуры) можно описать более абстрактной структурой – вложением в книгу на одну страницу. Однако не все способы сворачивания РНК ведут себя столь просто. Для определенных псевдоузлов РНК была предложена так называемая "би-вторичная структура", которая принимает форму вложения в книгу на две страницы: последовательность РНК снова изображается вдоль линии, но пары оснований рисуются в виде дуг как над, так и под этой линией. Чтобы сформировать би-вторичную структуру, граф должен иметь максимальную степень не более трех: каждое основание может участвовать только в одной дуге диаграммы, помимо двух связей с соседними основаниями в последовательности. Преимуществами этой формулировки являются то, что она исключает структуры, которые фактически завязаны в пространстве, и соответствует большинству известных псевдоузлов РНК. Поскольку порядок оснований позвоночника известен заранее для данного применения, проверка наличия би-вторичной структуры для заданной пары оснований является простой задачей. Проблема согласованного назначения дуг двум страницам может быть сформулирована как задача 2-выполнимости или как задача проверки двудольности кругового графа, вершины которого – это пары оснований, а ребра описывают их пересечения. И если структура РНК является третичной, а не би-вторичной (то есть, если для ее представления требуется более двух страниц), то определение номера страницы снова является NP-трудной задачей.

Другие области математики

изучать применение толщины книги в абстрактной алгебре, используя графы, построенные на основе нулевых делителей конечного локального кольца, где каждой вершине соответствует нулевой делитель, а каждое ребро соединяет пару значений, произведение которых равно нулю. В серии работ Динников исследовал топологические вложения книг в узлы и зацепления, показав, что эти вложения можно описать комбинаторной последовательностью символов, а топологическая эквивалентность двух зацеплений может быть установлена посредством последовательности локальных преобразований вложений.