투란의 정리
Turán's theorem그래프 이론에서, 투란의 정리는 주어진 크기의 완전한 하위 그래프를 가지고 있지 않은 비방향 그래프에 포함될 수 있는 가장자리 수를 제한한다.주어진 성질을 가진 가장 크거나 가장 작은 그래프를 연구하는 영역인 극단 그래프 이론의 중심 결과 중 하나로, 주어진 서브그래프가 없는 그래프에서 최대 에지 수에 대한 금지된 서브그래프 문제의 특별한 경우다.
+ ){\ (r1)} -vertex click r+ 1 를 포함하지 않는 n 정점 집합을 같거나 거의 같은 크기의 부분으로 분할하고 두 개의 v를 연결하여 그래프의 예를 구성할 수 있다.서로 다른 두 부분에 속할 때마다 가장자리에 있는 irts.결과 그래프는 투란 T, r) 투란의 정리에는 투란 그래프가 모든 K-프리r+1 n-vertex 그래프 중에서 가장 많은 에지 수를 가지고 있다고 되어 있다.
투란의 정리, 그리고 극단적인 경우를 제시하는 투란 그래프는 1941년 헝가리 수학자 팔 투란이 처음 설명하고 연구했다.[1]삼각형이 없는 그래프의 정리의 특별한 경우는 맨텔의 정리로 알려져 있다; 그것은 네덜란드의 수학자인 윌렘 맨텔에 의해 1907년에 명시되었다.[2]
성명서
Turán's theorem states that every graph with vertices that does not contain as a subgraph has at most as many edges as the Turán graph . For a fixed value of , this graph has
교정쇄
아이그너 & 지글러(2018년)는 투란의 정리를 증명하는 다섯 가지 다른 증거를 열거하고 있다.[3]
대부분의 증거는 그래프가 완전한 다중 사이트 그래프인 경우로 축소하고, 한 한 크기가 같을 수 있는 r 개일 때 가장자리 수가 최대화된다는 것을 보여준다.이 단계는 수행할 수 있음
유도
이것은 투란의 원본 증거였다. 에지 수가 있는 n } 정점에 K + K_{r+1}-자유 그래프를 취하십시오. 최대성에 의해 존재함)을 찾아 정점을 에 r 정점의 A{\ 와 - 다른 정점의 B로 분할한다.
이제 위 가장자리를 다음과 같이 묶을 수 있다.
- ( r ) {\개의 가장자리가 A 안에 있다
- 의 꼭지점은 모든 과 () 사이에 최대( r- 에지가 있다
- 내의 가장자리 수는 귀납 가설에 의한 - , ) 의 최대 에지 수입니다.
최대 정도 정점
이 증거는 Paul Erdős 덕분이다.가장 큰 수준의 꼭지점 을(를) 취하십시오. 에 인접하지 않은 정점의 집합과 에 인접한 의 B 집합을 고려하십시오
이제 내의 모든 에지를 삭제하고 과 B 사이에 모든 에지를 그려 보십시오 이렇게 하면 최대성 가정에 의해 정점 수가 증가하며 r + {\1} -1} -1은 자유 상태가 유지된다.이제 은 (는) r -r} -free이므로 에서도 같은 주장을 반복할 수 있다
이 주장을 반복하면 결국 서로 다른 독립 집합의 각 두 꼭지점 사이에 가장자리가 있는 독립 집합의 집합인 투란 그래프와 같은 형태의 그래프가 생성된다.간단한 계산을 통해 이 그래프의 가장자리 수가 모든 독립된 세트 크기가 가능한 한 거의 같을 때 최대화된다는 것을 알 수 있다.[3][4]
완벽한 다중 사이트 최적화
이 증명뿐만 아니라 Zykov Symmetrization 증명도 그래프가 완전한 다중 사이트 그래프인 경우로 축소하는 것을 포함하며, 한 한 유사하게 r 의 독립적 크기가 있을 때 가장자리 수가 최대화된다는 것을 보여준다.이 단계는 다음과 같이 수행할 수 있다.
, 2…, r 을 다중 사이트 그래프의 독립 집합으로 한다.두 꼭지점은 동일한 독립 집합에 있지 않은 경우에만 그들 사이에 가장자리가 있기 때문에, 가장자리 수는 다음과 같다.
여기서 왼손은 직접 계산에서 따르고, 오른손은 보충 계산에서 나온다.To show the bound, applying the Cauchy–Schwarz inequality to the term on the right hand side suffices, since
투란 그래프가 최적임을 증명하기 위해서는 크기 면에서 가 1 이상 차이가 나지 않는다고 주장할 수 있다.In particular, supposing that we have for some , moving one vertex from to (and adjusting edges accordingly) would increase the value합계의이는 가장자리 수에 대한 위의 식 중 어느 한 쪽에 대한 변화를 조사하거나, 이동된 꼭지점의 정도가 증가한다는 점에 유의함으로써 알 수 있다.
라그랑기안
이 증거는 모츠킨&스트라너스(1965) 때문이다.은 ,, , 1이라는 정점이 있는 K + 1 자유 그래프를 고려하고 함수의 최대화를 고려한다.
그들의 증거 뒤에 있는 아이디어는 i , 가 모두 0이 아닌 반면, , j 가 그래프에 인접하지 않으면 함수라는 것이다.
Now, the Cauchy–Schwarz inequality gives that the maximal value is at most . Plugging in for all gives that the maximal value is at least 원하는 바운드를 부여한다[3][5]
확률론적 방법
이 증거의 핵심 주장은 카로와 위가 독자적으로 찾아냈다.이 증거는 노가 알론과 조엘 스펜서의 저서 "확률론적 방법"에서 나온 것이다. ,d … n 이(가) 있는 모든 그래프에는 적어도 독립적인 크기의 집합이 있음을 증명한다.
- + -free 그래프의 정점 순열을 임의로 고려하십시오.
- 정점 앞에 있는 정점에 인접한 모든 정점을 선택하십시오.
정도 {\}의 꼭지점이 1 + {1에 포함되므로 이 프로세스는 선택한 집합에서 평균 S 을 제공한다
이 사실을 보완 그래프에 적용하고, 코시-슈워즈 불평등을 이용하여 선택한 집합의 크기를 경계하는 것은 투란의 정리를 증명한다.[3]자세한 내용은 조건부 확률의 방법 § 투란의 정리를 참조하십시오.
지코프 대칭
아이그너와 지글러는 그들의 다섯 가지 증명 중 마지막 것을 "가장 아름다운 것"이라고 부른다.그 기원은 불명확하지만, 투란의 정리를 일반화한다는 자이코프의 증명에서 사용되었기 때문에 그 접근법을 흔히 자이코프 대칭화라고 부른다. 증거는 K + 1 자유 그래프를 취하여 에지 카운트를 증가시키면서 투란 그래프와 더욱 유사하게 만드는 단계를 적용함으로써 이루어진다.
특히 + -free 그래프에 따라 다음과 같은 단계가 적용된다.
- , u이 (가) 비인접 정점이고 보다 높은 학위를 가진 경우 을(를) 의 복사본으로 교체하십시오 모든 비인접 정점이 같은 학위를 가질 때까지 반복하십시오.
- , , displaystyle u가) , , v 및 , 비인접적이지만 ,w, 인접해 있는 경우, u 및 모두를 v의 복사본으로 교체하십시오.
이 모든 단계는 가장자리 수를 증가시키면서 그래프 + 을 자유롭게 유지한다.
이제, 비접근성은 동등성 관계를 형성한다.동등성 등급은 어떤 최대 그래프라도 투란 그래프와 동일한 형태를 부여한다.최대 정도 정점 증명에서와 같이, 간단한 계산은 모든 독립된 세트 크기가 가능한 한 거의 같을 때 가장자리 수가 최대화된다는 것을 보여준다.[3]
맨텔의 정리
= 에 대한 투란의 정리 중 특별한 경우는 맨텔의 정리다. -vertex triangle-free 그래프에서 최대 에지 수는 2/ 즉[2], 삼각 자유 그래프를 얻으려면 K_에서 에지의 거의 절반을 삭제해야 한다.
맨텔의 정리의 강화된 형태는 적어도 / n 가장자리가 있는 해밀턴 그래프는 완전한 양분 그래프 / / 범순환 그래프여야 한다. 또는 그것은 삼각형을 포함할 뿐만 아니라 다른 모든 양의 사이클도 포함해야 한다.그래프의 꼭지점 수까지의 적당한 [7]길이
맨텔의 또 다른 정리의 강화는 n } -vertex 그래프의 가장자리는 가장자리 또는 삼각형인 최대 n / {\의 분류로 덮일 수 있다고 명시하고 있다.산호로서 그래프의 교차로 번호(모든 가장자리를 덮는 데 필요한 최소 분류 수)는 최대most / 이다[8]
일반화
기타 금지된 하위 그래프
Turan의 를 K + 1{\+1 -free 그래프에서 가장 많은 수의가( -1 +( ) 2 {\1-frac{12Erdős-Stone 정리에서는 다른 모든 그래프에서 ( ) 오류까지의 에지 수를 찾는다.
(Erdős–Stone) 이(가) 색수 ( ) 을(를) 가진 그래프라고 가정합시다 의 하위 그래프가 없는 그래프에서 가능한 최대 에지 수는
여기서 ( ) 상수는 에만 의존한다
그래프 ,( )- ) 1)는H 의 복사본을 포함할 수 없으므로 투란 그래프가 하한을 설정함을 알 수 있다 + }의 색수 r+ }이가) 있기 때문에 투란의 정리는 H 이 (가) + {\인 특수한 경우다
일부 의 복사본 없이 그래프에 몇 개의 가장자리를 포함할 수 있는지에 대한 일반적인 문제는 금지된 하위 그래프 문제다.
기타 수량 최대화
투란 정리의 또 다른 자연적인 확장자는 다음과 같은 질문이다: 그래프에 + 1 가 없다면, 의 복사본은 몇 개까지 가질 수 있는가?투란의 정리는 = 자이코프의 정리는 이 질문에 다음과 같이 대답한다.
(지코프의 정리) + 1 }와 한 수의 K a {\ K_가 없는 n 정점에 대한 그래프는 Turan 그래프 , ) 이다.
이것은 자이코프(1949)가 자이코프 대칭리제이션[1][3](Zykov Symmetrization)을 사용하여 처음 보여주었다.Since the Turán Graph contains parts with size around , the number of s in is around 2016년 알론·시켈만의 논문은 다음과 같은 일반화를 주는데, 이는 투란 정리의 에르도스 스톤 일반화와 유사하다.
색 수 χ(H)>{\displaystyle \chi(H)>.}과(Alon-Shikhelman, 2016년)레트 H{H\displaystyle} 된 그래프이다.K의 그래프에서 H{H\displaystyle}의 복사본과 함께 가장 큰 가능한 한 많은{\displaystyle K_{}}s(1+시(1))− 1a)(nχ(H)− 1)(χ(H).[9]
Erdős-Stone에서와 같이 Turan 그래프 ( ,( )- ) 는 원하는 수의 를 획득한다
에지 클라이크 지역
투란의 정리는 그래프가 - - 을를) 엄격히 초과하는 에지 동형성 밀도를 갖는 경우 r 를 0이 아닌 숫자로 나타낸다고 되어 있다.훨씬 더 일반적인 질문을 할 수 있다: 그래프의 가장자리 밀도가 주어진다면 K 의 밀도에 대해 뭐라고 말할 수 있는가?
이 질문에 대답할 때 문제가 되는 것은 주어진 밀도의 경우 어떤 그래프에 의해서가 아니라 어떤 무한한 그래프 순서에 의해 접근하는 것이 있을 수 있다는 것이다.이를 처리하기 위해 가중치 있는 그래프나 그래폰이 고려되는 경우가 많다.특히 그래프에는 그래프의 무한 시퀀스 제한이 포함되어 있다.
주어진 에지 밀도 의 경우 가장 큰 밀도의 구조는 다음과 같다
무한대에 접근하는 정점 을(를) 선택하십시오.정점의 집합을 선택하고 선택한 집합에 있는 경우에만 두 정점을 연결하십시오.
를 통해 d k/ . d 가장 작은 K r {\} 밀도의 구성은 다음과 같다
무한에 접근하는 정점을 여러 개 취한다.t{\displaystyle지} 정수가 1− 1t− 1<>d≤ 1− 1t{\displaystyle 1-{\frac{1}{t-1}}<>d\leq 1-{\frac{1}{t}}}.{\displaystyle지},고 총 에지 밀도는 부품의 크기 선택된 밀폐된 모든 부품은 독특한 작은 부분과 동일한 크기를 가지고-partite 그래프 잡거라 d d
- -1 의 경우 (r- )-partite인 그래프를 제공하므로 r s}}s를 제공하지 않는다.
하한은 라즈보로프(2008)[10]가 삼각형 사례로 입증했고, 이후 레이허(2016)에 의해 모든 파벌로 일반화됐다.[11]상한은 크러스칼-카토나 정리의 결과물이다.
참고 항목
- 에르드-스톤 정리, 금지된 투란 그래프에서 금지된 투란 그래프로 투란의 정리를 일반화한 것이다.
참조
- ^ a b c Turán, Paul (1941), "On an extremal problem in graph theory", Matematikai és Fizikai Lapok (in Hungarian), 48: 436–452
- ^ a b Mantel, W. (1907), "Problem 28 (Solution by H. Gouwentak, W. Mantel, J. Teixeira de Mattes, F. Schuh and W. A. Wythoff)", Wiskundige Opgaven, 10: 60–61
- ^ a b c d e f g h Aigner, Martin; Ziegler, Günter M. (2018), "Chapter 41: Turán's graph theorem", Proofs from THE BOOK (6th ed.), Springer-Verlag, pp. 285–289, doi:10.1007/978-3-662-57265-8_41, ISBN 978-3-662-57265-8
- ^ Erdős, Pál (1970), "Turán Pál gráf tételéről" [On the graph theorem of Turán] (PDF), Matematikai Lapok (in Hungarian), 21: 249–251, MR 0307975
- ^ Motzkin, T. S.; Straus, E. G. (1965), "Maxima for graphs and a new proof of a theorem of Turán", Canadian Journal of Mathematics, 17: 533–540, doi:10.4153/CJM-1965-053-6, MR 0175813
- ^ Zykov, A. (1949), "On some properties of linear complexes", Mat. Sb., New Series (in Russian), 24: 163--188
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- ^ Erdős, Paul; Goodman, A. W.; Pósa, Louis (1966), "The representation of a graph by set intersections" (PDF), Canadian Journal of Mathematics, 18 (1): 106–112, doi:10.4153/CJM-1966-014-3, MR 0186575
- ^ Alon, Noga; Shikhelman, Clara (2016), "Many T copies in H-free graphs", Journal of Combinatorial Theory, Series B, 121: 146–172, doi:10.1016/j.jctb.2016.03.004
- ^ Razborov, Alexander (2008). "On the minimal density of triangles in graphs" (PDF). Combinatorics, Probability and Computing. 17 (4): 603–618. doi:10.1017/S0963548308009085. S2CID 26524353 – via MathSciNet (AMS).
- ^ Reiher, Christian (2016), "The clique density theorem", Annals of Mathematics, 184: 683–707, doi:10.4007/annals.2016.184.3.1
- ^ Lovász, László, Large networks and graph limits