نظرية روبرتسون-سيمور

في نظرية المخططات ، تنص نظرية روبرتسون-سيمور (المعروفة أيضًا بنظرية المخططات الصغرى [ 1 ] ) على أن المخططات غير الموجهة ، المرتبة جزئيًا بعلاقة المخططات الصغرى ، تُشكل ترتيبًا شبه منتظم . [ 2 ] وبالمثل، يمكن تعريف كل عائلة من المخططات المغلقة تحت أخذ المخططات الصغرى بمجموعة منتهية من المخططات الصغرى المحظورة ، بنفس الطريقة التي تُميز بها نظرية فاغنر المخططات المستوية بأنها المخططات التي لا تمتلك مخططًا كاملاً.ك5{\displaystyle K_{5}}أو الرسم البياني الثنائي الكاملك3،3{\displaystyle K_{3,3}}بصفتهم قاصرين.

سُميت نظرية روبرتسون-سيمور نسبةً إلى عالمي الرياضيات نيل روبرتسون وبول د. سيمور ، اللذين أثبتاها في سلسلة من عشرين بحثًا امتدت على أكثر من 500 صفحة بين عامي 1983 و2004. [ 3 ] قبل إثباتها، عُرفت صيغة النظرية باسم حدسية فاغنر نسبةً إلى عالم الرياضيات الألماني كلاوس فاغنر ، على الرغم من أن فاغنر نفى أنه وضع هذه الحدسية قط. [ 4 ]

[ 5 ]

إفادة

أحد أجزاء الرسم البياني غير الموجهجي{\displaystyle G}أي رسم بياني يمكن الحصول عليه منجي{\displaystyle G}من خلال سلسلة من صفر أو أكثر من انقباضات حوافجي{\displaystyle G}وحذف الحواف والرؤوس منجي{\displaystyle G}تشكل علاقة التقسيم الجزئي ترتيبًا جزئيًا على مجموعة جميع الرسوم البيانية المحدودة غير الموجهة المتميزة، لأنها تخضع لبديهيات الترتيب الجزئي الثلاث: فهي انعكاسية (كل رسم بياني هو تقسيم جزئي لنفسه)، ومتعدية (تقسيم جزئي لتقسيم جزئي لـجي{\displaystyle G}وهي نفسها قاصر منجي{\displaystyle G}ومتناظر عكسيًا (إذا كان هناك رسمان بيانيان)جي{\displaystyle G}وجي{\displaystyle G}إذا كانت الرسوم البيانية المتماثلة جزئية لبعضها البعض، فلا بد أنها متماثلة . ومع ذلك، إذا أمكن اعتبار الرسوم البيانية المتماثلة كائنات متميزة، فإن ترتيب الجزئيات على الرسوم البيانية يشكل ترتيبًا جزئيًا ، وهي علاقة انعكاسية ومتعدية ولكنها ليست بالضرورة مضادة للتناظر. [ 6 ]

يُقال إن الترتيب المسبق يُشكل ترتيبًا شبه جيد إذا لم يحتوِ على سلسلة تنازلية لانهائية ولا على سلسلة مضادة لانهائية . [ 7 ] على سبيل المثال، يُعد الترتيب المعتاد للأعداد الصحيحة غير السالبة ترتيبًا شبه جيد، لكن الترتيب نفسه على مجموعة جميع الأعداد الصحيحة ليس كذلك، لأنه يحتوي على السلسلة التنازلية اللانهائية 0، -1 ، -2 ، -3 ... مثال آخر هو مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة المرتبة حسب قابلية القسمة ، والتي لا تحتوي على سلاسل تنازلية لانهائية، ولكن الأعداد الأولية تُشكل فيها سلسلة مضادة لانهائية.   

تنص نظرية روبرتسون-سيمور على أن الرسوم البيانية غير الموجهة المحدودة والمخططات الجزئية تشكل ترتيبًا شبه منتظم. لا تحتوي علاقة المخطط الجزئي على أي سلسلة تنازلية لانهائية، لأن كل انكماش أو حذف يقلل من عدد الحواف والرؤوس في الرسم البياني (عدد صحيح غير سالب). [ 8 ] الجزء غير البديهي من النظرية هو أنه لا توجد سلاسل مضادة لانهائية، أي مجموعات لانهائية من الرسوم البيانية غير المرتبطة ببعضها البعض بترتيب المخطط الجزئي.S{\displaystyle {\mathcal {S}}}هي مجموعة من الرسوم البيانية، وم{\displaystyle {\mathcal {M}}}هي مجموعة فرعية منS{\displaystyle {\mathcal {S}}}يحتوي على رسم بياني تمثيلي واحد لكل فئة تكافؤ من العناصر الدنيا (الرسوم البيانية التي تنتمي إلىS{\displaystyle {\mathcal {S}}}لكن لا ينتمي إليها أي قاصر مناسبS{\displaystyle {\mathcal {S}}})، ثمم{\displaystyle {\mathcal {M}}}يشكل سلسلة مضادة؛ لذلك، فإن طريقة مكافئة لصياغة النظرية هي أنه في أي مجموعة لانهائيةS{\displaystyle {\mathcal {S}}}بالنسبة للرسوم البيانية، يجب أن يكون هناك عدد محدود فقط من العناصر الدنيا غير المتماثلة.

صيغة أخرى مكافئة للنظرية هي أنه في أي مجموعة غير منتهيةS{\displaystyle {\mathcal {S}}}من بين كل مجموعة من الرسوم البيانية، يجب أن يكون هناك زوج من الرسوم البيانية يكون أحدهما أصغر من الآخر. [ 8 ] إن القول بأن كل مجموعة لانهائية تحتوي على عدد محدود من العناصر الدنيا يستلزم هذا الشكل من النظرية، لأنه إذا كان هناك عدد محدود فقط من العناصر الدنيا، فإن كل رسم بياني من الرسوم البيانية المتبقية يجب أن ينتمي إلى زوج من هذا النوع مع أحد العناصر الدنيا. وفي الاتجاه الآخر، يستلزم هذا الشكل من النظرية القول بأنه لا يمكن أن توجد سلاسل مضادة لانهائية، لأن السلسلة المضادة اللانهائية هي مجموعة لا تحتوي على أي زوج مرتبط بعلاقة أصغر.

التوصيفات الثانوية المحظورة

عائلةF{\displaystyle {\mathcal {F}}}يُقال إن مجموعة من الرسوم البيانية مغلقة تحت عملية أخذ المحددات الصغرى إذا كان كل محدد صغرى لرسم بياني فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}ينتمي أيضًا إلىF{\displaystyle {\mathcal {F}}}. لوF{\displaystyle {\mathcal {F}}}إذا كانت عائلة صغيرة مغلقة، فدعS{\displaystyle {\mathcal {S}}}ليكن فئة الرسوم البيانية التي ليست فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}( مكمل لـF{\displaystyle {\mathcal {F}}}وفقًا لنظرية روبرتسون-سيمور، توجد مجموعة منتهيةح{\displaystyle {\mathcal {H}}}من العناصر الدنيا فيS{\displaystyle {\mathcal {S}}}تشكل هذه العناصر الدنيا توصيفًا للرسم البياني المحظور لـF{\displaystyle {\mathcal {F}}}الرسوم البيانية فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}هي بالضبط الرسوم البيانية التي لا تحتوي على أي رسم بياني فيح{\displaystyle {\mathcal {H}}}بصفته قاصرًا. [ 9 ] أعضاءح{\displaystyle {\mathcal {H}}}يُطلق عليهم اسم القاصرين المستبعدين (أو القاصرين الممنوعين ، أو القاصرين ذوي العوائق البسيطة ) بالنسبة للعائلةF{\displaystyle {\mathcal {F}}}.

على سبيل المثال، تكون الرسوم البيانية المستوية مغلقة عند أخذ المحددات الصغرى: فتقليص حافة في رسم بياني مستوٍ، أو إزالة حواف أو رؤوس من الرسم البياني، لا يمكن أن يُخلّ بخاصية استوائه. لذلك، تتميز الرسوم البيانية المستوية بخاصية المحددات الصغرى المحظورة، والتي تُعطى في هذه الحالة بواسطة نظرية فاغنر : المجموعةح{\displaystyle {\mathcal {H}}}تحتوي مجموعة الرسوم البيانية غير المستوية ذات الحد الأدنى على رسمين بيانيين فقط، وهو الرسم البياني الكاملك5{\displaystyle K_{5}}والرسم البياني الثنائي الكاملك3،3{\displaystyle K_{3,3}}والرسوم البيانية المستوية هي تحديدًا الرسوم البيانية التي لا تحتوي على قاصر في المجموعةح={ك5،ك3،3}.{\displaystyle {\mathcal {H}}=\{K_{5},K_{3,3}\}.}

إن وجود خصائص فرعية محظورة لجميع عائلات الرسوم البيانية المغلقة فرعيًا هو طريقة مكافئة لصياغة نظرية روبرتسون-سيمور. على سبيل المثال، لنفترض أن كل عائلة مغلقة فرعيًاF{\displaystyle {\mathcal {F}}}لها مجموعة منتهيةح{\displaystyle {\mathcal {H}}}من الحد الأدنى من القاصرين الممنوعين، ودعS{\displaystyle {\mathcal {S}}}ليكن أي مجموعة لانهائية من الرسوم البيانية. حددF{\displaystyle {\mathcal {F}}}منS{\displaystyle {\mathcal {S}}}باعتبارها عائلة الرسوم البيانية التي لا تحتوي على صغرى فيS{\displaystyle {\mathcal {S}}}. ثمF{\displaystyle {\mathcal {F}}}هي مجموعة مغلقة جزئياً ولها مجموعة منتهيةح{\displaystyle {\mathcal {H}}}من الحد الأدنى من القاصرين الممنوعين. دعج{\displaystyle {\mathcal {C}}}كن مكملاً لـF{\displaystyle {\mathcal {F}}}.S{\displaystyle {\mathcal {S}}}هي مجموعة فرعية منج{\displaystyle {\mathcal {C}}}منذS{\displaystyle {\mathcal {S}}}وF{\displaystyle {\mathcal {F}}}منفصلة، ​​وح{\displaystyle {\mathcal {H}}}هي الرسوم البيانية الدنيا فيج{\displaystyle {\mathcal {C}}}لنفترض وجود رسم بيانيجي{\displaystyle G}فيح{\displaystyle {\mathcal {H}}}.جي{\displaystyle G}لا يمكن الحصول على تخصص فرعي مناسب فيS{\displaystyle {\mathcal {S}}}منذجي{\displaystyle G}ضئيل فيج{\displaystyle {\mathcal {C}}}في الوقت نفسه،جي{\displaystyle G}يجب أن يكون لديه تخصص فرعي فيS{\displaystyle S}وإلاجي{\displaystyle G}سيكون عنصرًا فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}. لذلك،جي{\displaystyle G}هو عنصر فيS{\displaystyle {\mathcal {S}}}، أي،ح{\displaystyle {\mathcal {H}}}هي مجموعة فرعية منS{\displaystyle {\mathcal {S}}}وجميع الرسوم البيانية الأخرى فيS{\displaystyle {\mathcal {S}}}يوجد رسم بياني فرعي ضمن الرسوم البيانية فيح{\displaystyle {\mathcal {H}}}، لذاح{\displaystyle {\mathcal {H}}}هي المجموعة المحدودة من العناصر الدنيا لـS{\displaystyle {\mathcal {S}}}.

ولإثبات الاتجاه الآخر للتكافؤ، افترض أن كل مجموعة من الرسوم البيانية تحتوي على مجموعة جزئية منتهية من الرسوم البيانية الدنيا، ولتكن مجموعة مغلقة جزئيًاF{\displaystyle {\mathcal {F}}}لدينا مجموعة معطاة. نريد إيجاد مجموعةح{\displaystyle {\mathcal {H}}}من الرسوم البيانية بحيث يكون الرسم البياني فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}إذا وفقط إذا لم يكن لديه قاصر فيح{\displaystyle {\mathcal {H}}}. يتركهـ{\displaystyle {\mathcal {E}}}لتكن الرسوم البيانية التي ليست رسومًا بيانية صغيرة لأي رسم بياني فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}ودعح{\displaystyle {\mathcal {H}}}لتكن المجموعة المنتهية من الرسوم البيانية الدنيا فيهـ{\displaystyle {\mathcal {E}}}الآن، لنفترض وجود رسم بياني عشوائيجي{\displaystyle G}لنفترض أولاً أنجي{\displaystyle G}هو فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}.جي{\displaystyle G}لا يجوز أن يكون هناك قاصر فيح{\displaystyle {\mathcal {H}}}منذجي{\displaystyle G}هو فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}وح{\displaystyle {\mathcal {H}}}هي مجموعة فرعية منهـ{\displaystyle {\mathcal {E}}}والآن افترض أنجي{\displaystyle G}ليس فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}. ثمجي{\displaystyle G}ليس قاصرًا لأي رسم بياني فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}، منذF{\displaystyle {\mathcal {F}}}مغلق جزئيًا. لذلك،جي{\displaystyle G}هو فيهـ{\displaystyle {\mathcal {E}}}، لذاجي{\displaystyle G}لديه تخصص فرعي فيح{\displaystyle {\mathcal {H}}}.

أمثلة على الأسر المغلقة للقاصرين

المجموعات التالية من الرسوم البيانية المحدودة مغلقة جزئيًا، وبالتالي (بحسب نظرية روبرتسون-سيمور) لها خصائص فرعية محظورة:

مجموعات العوائق

عائلة بيترسن ، مجموعة العوائق للتضمين بدون روابط

كانت بعض الأمثلة على مجموعات العوائق المحدودة معروفة بالفعل لفئات محددة من الرسوم البيانية قبل إثبات نظرية روبرتسون-سيمور. على سبيل المثال، العائق لمجموعة جميع الغابات هو الرسم البياني الحلقي (أو، إذا اقتصرنا على الرسوم البيانية البسيطة ، الدورة ذات الرؤوس الثلاثة). هذا يعني أن الرسم البياني غابة إذا وفقط إذا لم يكن أي من أجزائه الصغرى هو الرسم البياني الحلقي (أو الدورة ذات الرؤوس الثلاثة، على التوالي). العائق الوحيد لمجموعة المسارات هو الشجرة ذات الرؤوس الأربعة، أحدها من الدرجة 3. في هذه الحالات، تحتوي مجموعة العوائق على عنصر واحد، ولكن هذا ليس هو الحال بشكل عام. تنص نظرية فاغنر على أن الرسم البياني مستوٍ إذا وفقط إذا لم يكن يحتوي على أي منك5{\displaystyle K_{5}}ولاك3،3{\displaystyle K_{3,3}}كتخصص فرعي. بعبارة أخرى، المجموعة{ك5،ك3،3}{\displaystyle \{K_{5},K_{3,3}\}}هي مجموعة عوائق لمجموعة جميع الرسوم البيانية المستوية، وهي في الواقع مجموعة العوائق الدنيا الوحيدة. وتنص نظرية مماثلة على أنك4{\displaystyle K_{4}}وك2،3{\displaystyle K_{2,3}}هي القواسم الصغرى المحظورة لمجموعة الرسوم البيانية الخارجية المستوية.

على الرغم من أن نظرية روبرتسون-سيمور تُعمم هذه النتائج لتشمل عائلات الرسوم البيانية المغلقة جزئيًا، إلا أنها لا تُغني عنها تمامًا، لأنها لا تُقدم وصفًا صريحًا لمجموعة العوائق لأي عائلة. فعلى سبيل المثال، تُخبرنا أن مجموعة الرسوم البيانية الحلقية لها مجموعة عوائق محدودة، لكنها لا تُحدد أي مجموعة من هذا القبيل. ولا تزال المجموعة الكاملة للقواسم المحظورة للرسوم البيانية الحلقية مجهولة، ولكنها تحتوي على 17535 رسمًا بيانيًا على الأقل. [ 11 ]

التعرف على الوقت متعدد الحدود

تُعدّ نظرية روبرتسون-سيمور ذات أهمية بالغة في مجال التعقيد الحسابي، وذلك بفضل البرهان الذي قدمه روبرتسون وسيمور والذي ينص على أنه لكل رسم بياني ثابتح{\displaystyle H}يوجد خوارزمية زمنية متعددة الحدود لاختبار ما إذا كان الرسم البياني يحتوي علىح{\displaystyle H}كعنصر فرعي. زمن تشغيل هذه الخوارزمية مكعب (في حجم الرسم البياني المراد فحصه)، مع وجود عامل ثابت يعتمد بشكل فائق على حجم العنصر الفرعي.ح{\displaystyle H}تم تحسين وقت التشغيل إلى تربيعي بواسطة كاواراباياشي وكوباياشي وريد. [ 12 ] ونتيجة لذلك، لكل عائلة قاصر مغلقةF{\displaystyle {\mathcal {F}}}يوجد خوارزمية زمنية متعددة الحدود لاختبار ما إذا كان الرسم البياني ينتمي إلىF{\displaystyle {\mathcal {F}}}: تحقق مما إذا كان الرسم البياني المعطى يحتوي علىح{\displaystyle H}لكل قاصر ممنوعح{\displaystyle H}في مجموعة العوائق منF{\displaystyle {\mathcal {F}}}[ 13 ]

مع ذلك، تتطلب هذه الطريقة مجموعة عوائق محدودة محددة لكي تعمل، ولا توفرها النظرية. تُثبت النظرية وجود مثل هذه المجموعة المحدودة من العوائق، وبالتالي فإن المسألة متعددة الحدود بفضل الخوارزمية المذكورة أعلاه. ولكن، لا يمكن استخدام الخوارزمية عمليًا إلا في حال توفر هذه المجموعة المحدودة من العوائق. ونتيجة لذلك، تُثبت النظرية إمكانية حل المسألة في زمن متعدد الحدود، لكنها لا تُقدم خوارزمية محددة متعددة الحدود لحلها. تُعدّ هذه البراهين على تعددية الحدود غير بنائية : فهي تُثبت تعددية حدود المسائل دون تقديم خوارزمية صريحة متعددة الحدود. [ 14 ] في العديد من الحالات الخاصة، يمكن التحقق من انتماء رسم بياني إلى عائلة مغلقة جزئيًا معينة بكفاءة أكبر: على سبيل المثال، يمكن التحقق من كون الرسم البياني مستويًا في زمن خطي.

قابلية المعالجة ذات المعلمات الثابتة

بالنسبة لثوابت الرسم البياني التي تتميز بالخاصية التالية، لكلك{\displaystyle k}، الرسوم البيانية ذات الثابت على الأكثرك{\displaystyle k}إذا كانت المجموعات الفرعية مغلقة، ينطبق عليها نفس الأسلوب. على سبيل المثال، وفقًا لهذه النتيجة، فإن عرض الشجرة، وعرض الفرع، وعرض المسار، وتغطية الرؤوس ، والحد الأدنى لجنس التضمين، كلها قابلة لهذا النهج، ولأي قيمة ثابتةك{\displaystyle k}توجد خوارزمية ذات وقت متعدد الحدود لاختبار ما إذا كانت هذه الثوابت على الأكثرك{\displaystyle k}، حيث لا يعتمد الأس في وقت تشغيل الخوارزمية علىك{\displaystyle k}تكمن إحدى المشكلات المتعلقة بهذه الخاصية في إمكانية حلها في وقت متعدد الحدود لأي قيمة ثابتة.ك{\displaystyle k}مع أس لا يعتمد علىك{\displaystyle k}، وهو ما يُعرف باسم قابلية المعالجة ذات المعلمات الثابتة .

ومع ذلك، لا توفر هذه الطريقة بشكل مباشر خوارزمية واحدة قابلة للمعالجة بمعاملات ثابتة لحساب قيمة المعامل لرسم بياني معين ذي معلمات غير معروفة.ك{\displaystyle k}بسبب صعوبة تحديد مجموعة القواسم الصغرى المحظورة. إضافةً إلى ذلك، فإن العوامل الثابتة الكبيرة المتضمنة في هذه النتائج تجعلها غير عملية للغاية. لذلك، فإن تطوير خوارزميات صريحة ذات معلمات ثابتة لهذه المشكلات، مع تحسين الاعتماد علىك{\displaystyle k}ولا يزال هذا المجال يمثل خطاً بحثياً مهماً.

الصيغة المحدودة لنظرية الرسم البياني الصغير

أظهر فريدمان وروبرتسون وسيمور (1987) أن النظرية التالية تُظهر ظاهرة الاستقلال من خلال كونها غير قابلة للإثبات في أنظمة رسمية مختلفة أقوى بكثير من حساب بيانو ، ومع ذلك فهي قابلة للإثبات في أنظمة أضعف بكثير من ZFC : [ 15 ]

النظرية : لكل عدد صحيح موجبن{\displaystyle n}يوجد عدد صحيحم{\displaystyle m}كبيرة جدًا لدرجة أنه إذاجي1،...،جيم{\displaystyle G_{1},\dots ,G_{m}}هي سلسلة من الرسوم البيانية غير الموجهة المحدودة، حيث كلجيأنا{\displaystyle G_{i}}حجمه في أقصى حدن+أنا{\displaystyle n+i}، ثمجيججيك{\displaystyle G_{j}\leq G_{k}}بالنسبة للبعضجك{\displaystyle j\leq k}.

(هنا، حجم الرسم البياني هو العدد الإجمالي لرؤوسه وحوافه، و ≤ يشير إلى الترتيب الأدنى.)

يستخدم فريدمان هذه النتيجة على الرسوم البيانية شبه المكعبة البسيطة لإنشاء الدالة سريعة النمو، SSCG . [ 16 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. بينستوك ولانغستون (1995) .
  2. روبرتسون وسيمور (2004) .
  3. روبرتسون وسيمور ( 1983 ، 2004 ) ؛ ديستل (2005 ، ص 333) .  
  4. ديستل (2005 ، ص 355) . 
  5. ^ ديستيل (2005 ، ص 335–336) ؛ لوفاسز (2005) ، القسم 3.3، الصفحات من 78 إلى 79. 
  6. على سبيل المثال، انظر بينستوك ولانغستون (1995) ، القسم 2، "الترتيبات شبه الجيدة".
  7. ديستل (2005 ، ص 334) . 
  8. 1 2 لوفاس (2005 ، ص 78) . 
  9. ^ بينستوك ولانجستون (1995) ، النتيجة الطبيعية 2.1.1؛ لوفاسز (2005) ، النظرية 4، ص. 78.
  10. 1 2 لوفاسز (2005 ، ص 76-77) . 
  11. ^ ميرفولد وودكوك (2018) .
  12. ^ كاواراباياشي، كوباياشي وريد (2012)
  13. روبرتسون وسيمور (1995) ؛ بينستوك ولانغستون (1995) ، النظرية 2.1.4 والنتيجة 2.1.5؛ لوفاس (2005) ، النظرية 11، ص 83.
  14. Fellows & Langston (1988) ; Bienstock & Langston (1995 ) ، القسم 6.
  15. فريدمان، روبرتسون وسيمور (1987) .
  16. فريدمان (2006) .

مراجع