Tatta -polynomiet ( Tatta-Whitney- polynomiet ) er et to-variabelt polynomium, der spiller en stor rolle i grafteori ; er defineret for enhver urettet graf og indeholder information om, hvor forbundet grafen er . Standardnotationen er .
Oprindeligt studeret i algebraisk grafteori som en konstruktion til generalisering af tælleproblemer relateret til graffarvning og ingen steder nul flows , senere blev der fundet en forbindelse med Jones polynomiet fra knudeteori og de statistiske summer af Potts-modellen fra statistisk fysik . Polynomiet er oprindelsen til nogle beregningsmæssige problemer teoretisk datalogi .
Polynomiet har flere ækvivalente definitioner: det svarer til Whitney -rangpolynomiet , Tutt-dikromatisk polynomium og Fortuin-Castelyn tilfældige klyngemodellen (efter en lille transformation) . Et polynomium er i det væsentlige en genererende funktion for antallet af kanter af sæt af en given størrelse og forbundne komponenter og har en direkte generalisering i matroidteori . Polynomiet er også en invariant af den mest generelle form for grafer, som kan defineres ved rekursionen af fjernelse - kontraktion . Nogle bøger om grafteori og matroider afsætter hele kapitler til dette koncept [1] [2] [3] .
For en urettet graf er Tatta-polynomiet defineret som:
,hvor betyder antallet af forbundne komponenter i grafen . Det kan ses af definitionen, at polynomiet er veldefineret og polynomiet i og i .
Den samme definition kan gives i anden notation, hvis den er angivet med grafens rangering . Så er Whitney-genereringsfunktionen for rangen defineret som:
.De to funktioner er ækvivalente, som vist ved en simpel ændring af variable:
Tutts dikromatiske polynomium er resultatet af en anden simpel transformation:
.Tutts oprindelige definition for en forbundet graf er ækvivalent (men denne ækvivalens er teknisk vanskeligere at vise):
hvor betyder antallet af spændende træer af "intern aktivitet og ekstern aktivitet ".
Den tredje definition bruger deletion-pull rekursion . Sammentrækning af en kant af en graf er en graf, der opnås ved at flette hjørner og slette en kant , og notation betyder, at kun kanten slettes . Så er Tatta-polynomiet defineret ved rekursion:
,hvis er hverken en løkke eller en bro , med basistilfældet:
,hvis den indeholder broer og sløjfer og ingen andre kanter. Især hvis ikke indeholder kanter.
Fortuin-Castelyn tilfældige klyngemodellen [4] giver en anden tilsvarende definition [5] :
er ækvivalent ved transformation [6] :
Tatta-polynomiet dekomponerer i forbundne komponenter - hvis det er foreningen af usammenhængende grafer og , så:
.Hvis er plan og angiver dens dobbelte graf , så:
Især er det kromatiske polynomium i en plan graf strømningspolynomiet af dets dual.
Isomorfe grafer har de samme Tutt-polynomier, men det modsatte er ikke sandt. For eksempel er Tatta-polynomiet for ethvert træ med kanter .
Tutts polynomier udgives ofte som en række- og kolonnekoefficienttabel med termer . For eksempel Tatta-polynomiet af Petersen-grafen ,
Det er skrevet i form af følgende tabel:
0 | 36 | 84 | 75 | 35 | 9 | en |
36 | 168 | 171 | 65 | ti | ||
120 | 240 | 105 | femten | |||
180 | 170 | tredive | ||||
170 | 70 | |||||
114 | 12 | |||||
56 | ||||||
21 | ||||||
6 | ||||||
en |
Et andet eksempel, Tatta-polynomiet på oktaedergrafen er:
William Tutts interesse for sletnings-sammentrækningsformlen opstod under hans studietid på Trinity College (Cambridge) og var inspireret af perfekte rektangler [7] og spændende træer . Han brugte ofte formlen i forskning og "blev overrasket, da han opdagede andre interessante funktioner på grafer, invariante under isomorfismer , med lignende rekursive formler" [8] . Ronald Foster bemærkede, at det kromatiske polynomium var en sådan funktion, og Tutt begyndte at opdage andre. Den oprindelige terminologi for grafinvarianter, der tilfredsstiller deletions-kontraktionsrekursionen, var W-funktionen , og han brugte udtrykket V-funktion til tilfældet med komponentmultiplikation. Tutt skrev: "Leg med W-funktioner fik jeg et polynomium i to variable, hvorfra man kunne få et kromatisk polynomium eller et flowpolynomium ved at tildele en variabel til nul og korrigere fortegnene" [8] . Tutt kaldte denne funktion dikromatisk og viste, at det er en to-variabel generalisering af et kromatisk polynomium, men dette polynomium omtales normalt som Tutts polynomium. Ifølge Tutt, "Dette kunne være frustrerende for Hassler Whitney , som brugte lignende koefficienter og ikke forsøgte at tilpasse dem til de to variable." (Der er forvirring [9] mellem udtrykkene "bikromat" og "bikromatisk polynomium", introduceret af Tutt i et andet papir og lidt anderledes.) En generalisering af Tutts polynomium for matroider blev udgivet af Crapo, selvom det allerede var optrådt i Tutts afhandlinger [10] .
Uafhængigt, mens han arbejdede med algebraisk grafteori , begyndte Potts at studere partitionsfunktioner af nogle modeller af statistisk mekanik i 1952. I et papir fra 1972 om den tilfældige klyngemodel gav en generalisering af Potts-modellen , Fortuin og Casteleyn [4] et kombineret udtryk, der viste forholdet mellem denne model og Tatta-polynomiet [10] .
På forskellige punkter og linjer i planet giver Tatta-polynomiet værdier, der studeres i sig selv inden for forskellige felter af matematik og fysik. En del af tiltrækningen ved Tutts polynomium skyldes foreningen af metoden til at analysere disse størrelser.
Ved bliver Tatta-polynomiet til et kromatisk polynomium,
hvor angiver antallet af forbundne komponenter i grafen .
For et heltal er værdien af det kromatiske polynomium lig med antallet af farvelægninger af grafens hjørner ved hjælp af farver. Det er klart, at det ikke afhænger af sæt af farver. Det er mindre tydeligt, at funktionen er et polynomium med heltalskoefficienter. For at forstå dette, bemærk:
Disse tre betingelser tillader os at beregne ved hjælp af en sekvens af deletioner og sammentrækninger. Disse operationer garanterer dog ikke, at en anden rækkefølge af operationer vil føre til det samme resultat. Unikitet er garanteret af det faktum, at tæller ting uafhængigt af rekursion. I særdeleshed,
angiver antallet af acykliske orienteringer.
Langs hyperbelen reduceres Tutt-polynomiet i den plane graf til Jones-polynomiet for den tilhørende alternerende knude .
tæl antallet af træer , det vil sige antallet af acykliske delmængder af kanter.
(1.1)tæller antallet af skeletter ( acykliske undergrafer med samme antal forbundne komponenter som grafen ). Hvis grafen er forbundet, tælles antallet af spændende træer.
(1,2)tæller antallet af spændende subgrafer med det samme antal forbundne komponenter som grafen .
(2.0)tæller antallet af acykliske orienteringer af grafen [11] .
(0,2)tæller antallet af stærkt forbundne orienteringer af grafen [12] .
(0,−2)Hvis grafen er en 4-regulær graf, så
tæller antallet af acykliske orienteringer af grafen . Her er antallet af forbundne komponenter i grafen [11] .
(3,3)Hvis grafen er - et gitter , så tæller antallet af måder at tesselere et rektangel med bredde og højde med T-tetromino- fliser [13] [14]
Hvis grafen er plan , så er den lig med summen af de vægtede Euler-orienteringer i den midterste graf af grafen , hvor vægten er fra 2 til antallet af saddelspidser i orienteringen (det vil sige antallet af hjørner med kanter i den cykliske rækkefølge "ind, ud, ind ud") [15] .
For en hyperbel i et fly :
Tutt-polynomiet reducerer til partitionsfunktionen i Ising-modellen , studeret i statistisk fysik . Især langs hyperbelen er de to relateret til ligningen [16] :
.I særdeleshed:
for alle komplekse .
Mere generelt, hvis vi for nogen positiv definerer en hyperbel:
,derefter reducerer Tutt-polynomiet til partitionsfunktionen af Potts-modellen med tilstande. Forskellige fysiske mængder analyseret ved hjælp af Potts-modellen går i specifikke dele .
Potts model | Tatta polynomium |
---|---|
Ferromagnetisk | positiv gren |
Antiferromagneter | Negativ gren med |
Varme | Asymptote til |
Lavtemperatur ferromagneter | Asymptote af den positive gren til |
Nul temperatur ferromagneter | Farvelægning af en graf i q- farver , dvs. |
For , Tatta-polynomiet bliver til et flow-polynomium studeret i kombinatorik. For en forbundet urettet graf og et heltal ingen steder er nul -flow tildelingen af "flow" værdier til kanter af vilkårlig orientering i grafen , sådan at summen af input og output flows ved hvert toppunkt er kongruent modulo . Strømningspolynomiet betyder antallet af ingensteds nul -strømme. Denne værdi er direkte relateret til det kromatiske polynomium. Faktisk, hvis det er en plan graf , er grafens kromatiske polynomium ækvivalent med flowpolynomiet for dens dobbelte graf i den forstand, at følgende udsagn gælder (Tatt):
.Forbindelsen med Tatta-polynomiet er givet ved ligheden:
.Ved bliver Tatta-polynomiet til overlevelsespolynomiet studeret i netværksteori. For en forbundet graf fjernes enhver kant med sandsynlighed , hvilket simulerer tilfældige udfald af kanten. Så er overlevelsespolynomiet en funktion af , et polynomium af , hvilket giver sandsynligheden for, at ethvert par af hjørner i forbliver forbundet efter at en kant er faldet. Forbindelsen med Tatta-polynomiet er givet af ligheden
.Tutt definerede også en tæt 2-variabel generalisering af det kromatiske polynomium, grafens dikromatiske polynomium:
hvor er antallet af forbundne komponenter i spændingsundergrafen . Det er relateret til Whitney rang polynomiet ved ligheden:
.Det dikromatiske polynomium er ikke generaliseret til matroider, fordi det ikke er en egenskab ved matroider - forskellige grafer med samme matroide kan have forskelligt antal forbundne komponenter.
Martin-polynomiet af en rettet 4-regulær graf blev defineret af Pierre Martin i 1977 [18] . Han viste, at hvis er en plan graf og er dens rettede mediangraf , så
Anvendelse af sletnings-kontraktionsformlen for Tatta-polynomiet:
,hvor er hverken en løkke eller en bro, giver en rekursiv algoritme til beregning af et polynomium - en hvilken som helst passende kant vælges , og formlen anvendes, indtil der kun er løkker og broer tilbage. De resulterende monomialer er nemme at beregne.
Op til en polynomiel faktor kan udførelsestiden for denne algoritme udtrykkes i form af antallet af hjørner og antallet af kanter på grafen:
,rekursiv relation, der definerer Fibonacci-tal med løsning [19] .
Analysen kan forbedres i værdien af polynomialfaktoren for antallet af spændingstræer i inputgrafen [20] . For sparsomme grafer er algoritmens køretid . For almindelige gradgrafer kan antallet af spændende træer begrænses af værdien
,hvor
. .I praksis bruges isomorfikontrol for at undgå nogle rekursive opkald . Denne tilgang fungerer godt for meget sparsomme grafer og grafer med mange symmetrier, mens hastigheden af algoritmen afhænger af kantvalgsmetoden [20] [23] [24] .
I nogle begrænsede tilfælde kan Tutt-polynomiet beregnes i polynomiel tid på grund af det faktum, at Gauss-eliminering beregner determinanten og Pfaffian effektivt . Disse algoritmer er i sig selv et vigtigt resultat af algebraisk grafteori og statistisk mekanik .
er lig med antallet af spændingstræer i den forbundne graf. Den kan beregnes i polynomiel tid som determinanten af den maksimale hovedsubmatrix af en grafs Kirchhoff-matrix , et tidligt resultat fra algebraisk grafteori kendt som matrixtræsætningen . På samme måde kan dimensionen af cykelrummet beregnes i polynomiel tid ved hjælp af Gauss-elimineringsmetoden .
For plane grafer kan fordelingsfunktionen af Ising-modellen, dvs. Tutt-polynomiet på en hyperbel , udtrykkes som en Pfaffian og beregnes effektivt med FKT-algoritmen . Denne idé blev udviklet af Fischer , Castelein og Temperley for at beregne antallet af dominobrikker , der dækker en plan gittermodel .
Ved at bruge Monte Carlo-metoden for Markov-kæder , kan man vilkårligt godt tilnærme Tutt-polynomiet langs grenen af fordelingsfunktionen af den ferromagnetiske Ising-model. Denne tilgang udnytter det tætte forhold mellem Ising-modellen og problemet med at tælle matchninger i en graf. Ideen med denne tilgang, på grund af Jerram og Sinclair [25] , er at danne en Markov-kæde, hvis tilstande svarer til matchninger af inputgrafen. Overgange bestemmes ved tilfældigt at vælge kanter, og matchninger ændres i overensstemmelse hermed. Den resulterende Markov-kæde blander sig hurtigt og fører til "rimelig tilfældige" matchninger, der kan bruges til at opdage distributionsfunktionen ved hjælp af tilfældig stikprøve. Den resulterende algoritme er Approximate Polynomial Time Scheme (FPRAS).
Der er nogle beregningsmæssige problemer forbundet med Tatta-polynomiet. Den mest ligetil algoritme
Input Kurve Produktion OddsIsær tillader udledningen beregning , hvilket svarer til at tælle 3-farvninger af grafen . Dette problem er #P-complete , selvom det er begrænset til familien af plane grafer , så problemet med at beregne koefficienterne for Tutt-polynomiet for en given graf er #P-hard selv for plane grafer .
Meget mere opmærksomhed er blevet givet til en familie af problemer kaldet Tutte defineret for ethvert komplekst par :
Input Kurve Produktion BetyderSværhedsgraden af denne opgave varierer afhængigt af koordinaterne .
Hvis og er ikke-negative heltal, hører problemet til klasse #P . I det generelle tilfælde, for heltalspar, indeholder Tatta-polynomiet negative termer, hvilket placerer problemet i kompleksitetsklassen GapP , lukningen af klassen #P ved subtraktion. For rationelle koordinater kan man definere en rationel analog af klassen #P [26] .
Den beregningsmæssige kompleksitet af en nøjagtig beregning falder i to klasser for . Problemet er #P-svært, medmindre det ligger på en hyperbel eller er et af punkterne
.I disse tilfælde kan problemet løses i polynomisk tid [27] . Hvis problemet er begrænset til klassen af plane grafer, bliver problemet ved hyperbelens punkter beregnet i polynomisk tid. Alle andre punkter forbliver #P-hårde selv for todelte plane grafer [28] . I sit papir om dikotomien af plane grafer hævder Vertigan, at det samme resultat er sandt, hvis der pålægges yderligere begrænsninger på graferne (graden af toppunktet overstiger ikke tre), bortset fra punktet , som tæller ingen steder-nul- flows og hvor problemet kan løses i polynomisk tid [29] .
Disse resultater indeholder nogle vigtige specialtilfælde. For eksempel er problemet med at beregne fordelingsfunktionen af Ising-modellen #P-hårdt i det generelle tilfælde, selvom Onzangers og Fishers algoritmer løser det for flade gitter. Det er også #P-hårdt at beregne Jones-polynomiet. Endelig er beregningen af antallet af fire-farvninger af en plan graf #P-komplet, selvom problemet med løselighed er trivielt på grund af fire-farvesætningen . I modsætning hertil er det let at se, at det er #P-komplet at tælle antallet af tre-farvninger af en plan graf, da løselighedsproblemet er kendt for at være NP-komplet ifølge økonomisk reduktion .
Spørgsmålet om, hvilke punkter der tillader tilnærmelsesalgoritmer, er blevet grundigt undersøgt. Bortset fra punkter, som kan beregnes nøjagtigt i polynomisk tid, er den eneste tilnærmelsesalgoritme kendt for Jerram og Sinclair (FPRAS) algoritmen, som virker for punkter på Ising hyperbelen for . Hvis inputgrafen er begrænset til tætte grafer med grad , så er der en FPRAS-algoritme, hvis [30] .
Selvom situationen i tilfælde af tilnærmelse ikke er så godt forstået som for nøjagtige beregninger, er det kendt, at store områder af flyet er vanskelige at tilnærme [26] .