תורת הגרפים - Notes
Transcription
תורת הגרפים - Notes
תורת הגרפים על פי הרצאות מאת פרופ' אהוד פרידגוט 11ביולי 2010 רשם :שיר פלד ,באמצעות LYXגרסה 1.6.1 תיקונים יתקבלו בברכה במהלך ההפסקות או בכתובת מייל shirpeled@cs במבחן :להוכיח משפט אחד מתוך שניים ולפתור שניים מתוך שלושה תרגילים )שיתפרסמו במהלך הסמסטר(. ביבליוגרפיהGraph T heory/Diestel : 1 1.1 מבוא והגדרות הגדרות הגדרה 1.1גרף Gהוא זוג ) ,(V, Eקבוצת הצלעות וקבוצת הקודקודים )או קשתות וצמתים(. Vהיא קבוצה כלשהי ,ו Eהיא קבוצה של זוגות לא סדורים של איברים מ .vלעיתים נתעצל לכתוב את הצלע } {i, jונכתוב ijבמקום זאת. צלעות מרובות ־ מרשים (ij) 1, (ij) 2וכן הלאה ,לרוב לא נעסוק באלו. . הגדרה 1.2צלעות מנוונות הן לולאה ,כלומר צלע מקודקוד לעצמו .ii . הגדרה 1.3גרף ללא צלעות מרובות וללא לולאות יקרא גרף פשוט. . הגדרה 1.4גרף מכוון הוא גרף אשר בו הצלעות הן זוגות סדורים. . הגדרה 1.5בהיפר גרף הצלעות הן קבוצות של קודקודים ,לאו דווקא בגודל .2 . הגדרה 1.6גרפים ) G1 = (V1 , E1ו ) G2 = (V2 , E2הם איזומורפיים אם יש ϕ : V1 → V2 חח"ע ועל המשמרת צלעות ,כלומר {ϕ (i) , ϕ (j)} ∈ E2 ⇔ {i, j} ∈ E1 1 . הגדרה 1.7גרף יקרא מישורי אם ניתן לצייר אותו במישור ללא חיתוכים של הצלעות . הגדרה 1.8הגרף השלם על nקודקודים יסומן ,Knוהוא הגרף שבו יש nקודקודים וכל 2 קודקודים יוצרים צלע. . הגדרה 1.9גרף דו צדדי שלם יסומן Kn,mוהוא גרף דו"צ שקבוצת קודקודיו היא ∪}{1, ..., n } {1′ , 2′ , ..., mובקבוצת הצלעות יהיו כל הזוגות } ) {ij ′כלומר יש n · mצלעות(. . הערה K3,2 1.10מישורי בעוד ש K3,3,איננו מישורי . הגדרה 1.11מסילות הן גרפים בצורת שרוך ,שיסומנו P3למשל עבור גרף בן 4קודקודים המחוברים בזה אחר זה בצלעות. . הגדרה 1.12מעגלים הן מסילות שבהן הקודקוד הראשון מחובר לאחרון ויסומנו C3למשל, עבור משולש. . הגדרה 1.13נאמר ש x, y ∈ Vשכנים ,ונסמן ,x ∼ yאם .{x, y} ∈ E . הגדרה 1.14הילוך על גרף סדרת קודקודים x1 , ..., xnכך ש xi ∼ xi+1עבור i = 1, ..., n− 1 . הגדרה 1.15הילוך בו אף צלע אינה חוזרת פעמיים נקרא מסילה .אם בנוסף אף קודקוד אינו חוזר פעמיים ,נאמר שהמסילה פשוטה. . הגדרה 1.16מסילה סגורה )קודקוד ראשון = קודקוד אחרון( תקרא מעגל. . הערה 1.17לפעמים נוח לחשוב על מסילות )או הילוכים( כסדרה של צלעות ולא כסדרה של קודקודים .בדרך כלל יהיה ברור מההקשר למה הכוונה. . 2 תרגיל אם יש הילוך מ xל ,yאז יש מסילה פשוטה מ xל .y הגדרה 1.18נגדיר יחס שקילות על קודקודי הגרף x :שקול ל yאם יש הילוך מ xל .yקל לראות שזה רפלקסיבי ,סימטרי וטרנזיטיבי .נקרא למחלקת השקילו של קודקוד " :xמרכיב הקשירות של ."x גרף ובו מרכיב קשירות יחיד יקרא גרף קשיר. הגדרה 1.19אם ) G = (V, Eגרף ,ו ) H = (V ′ , E ′כך ש V ′ ⊆ Vוגם E ′ ⊆ Eאז נאמר ש Hתת גרף של .Gאם E ′מכיל כל מ Eששני איבריה ב ,V ′אז נאמר ש Hהוא תת גרף מושרה. . הגדרה 1.20הדרגה של קודקוד xהיא מספר הצלעות שלהן xשייך ,לעיתים מסומן )d (x ולעיתים ) .deg (xבגרף מכוון יש דרגת כניסה )) (indeg (xודרגת יציאה )),(outdeg (x שאינן בהכרח שוות זו לזו. . הגדרה 1.21מעגל בגרף המכיל את כל הצלעות נקרא מעגל אוילר )מסילה ...וכו' ...מסילת אוילר( מעגל המכיל את כל הקודקודים ,כל קודקוד פעם אחת בלבד ,יקרא מעגל המילטון )מסילה ...וכו' ...מסילת המילטון( זהו גרף פטרסון: זהו גרף הדודקהדרון: 3 שאלה :מי מהם המילטוני? תשובה ־ גרף הדודקהדרון ,וההילוך עליו נתון במספור הקודקודים. תרגילים .1הוכיחו שבגרף פטרסון אין מעגל המילטון n .2בגרף המינג של }) {0, 1שיוגדר להלן( יש מעגל המילטון n הגדרה 1.22גרף המינג של } {0, 1מוגדר כך שקודקודיו הם כל הסדרות הבינאריות באורך nויש צלע בין שתי סדרות שנבדלות בביט אחד בדיוק. למצוא מעגל המילטון בגרף זו בעיה שהיא N Pקשה ,ולעומת זאת קל מאד להכריע האם יש מעגל אוילר בגרף. 1.2 זוגיות משפט 1.23לחיצות הידיים ־ בכל מסיבה סופית ,מספר האנשים שלחצו ידיים מספר אי־זוגי של פעמים ,הוא זוגי .באופן פורמלי ־ בכל גרף פשוט וסופי ,מספר הקודקודים בעלי דרגה אי־זוגית ,הוא זוגי. למה 1.24בגרף סופי פשוט ־ סכום הדרגות הוא בדיוק פעמיים מספר הצלעות. הוכחה :הלמה ־ כל צלע נספרת פעמיים עבור סכום הדרגות ,פעם עבור כל קודקוד שהיא משתתפת בו. המשפט ־ סכום הדרגות בעלי דרגה זוגית הוא בוודאי זוגי ,ואם נוסיף לו את סכום הדרגות בעלי דרגה אי־זוגית נקבל את סכום הדרגות הכולל ,שהוא זוגי ,ומכאן שסכום הדרגות האי־זוגיות הוא זוגי בעצמו )ולכן מספר המחוברים בו זוגי כנדרש(. למה ⇐משפט ,ונראה בעתיד כי המשפט גורר את הלמה של שפרנר ,הלמה של טאקר ,תיבות עם מקצועות שלמים .הלמה של טאקר גוררת את משפט בורסוק־אולם ,ומשפט בורסוק אולם וגם הלמה של שפרנר גוררים את משפט בראוור .כמו כן בורסוק אולם גורר את השערת קנסר )משפט לובס(. כל הנ"ל מלבד המשפט על תיבות עם מקצועות שלמים יגיעו בהמשך. תרגיל: נתונה תיבה ב ) Rdכך ש (d ≥ 1וחלוקה שלה לתיבות שלכל אחת מהן יש כיוון אחד בו ארכה הוא מספר שלם ,אזי גם לתיבה הגדולה יש כיוון בו ארכה הוא מספר שלם. רקע היסטורי: בעיר קניגסברג ,שממנה בא אוילר ,היה נהר ,איים וגשרים באופן הבא: 4 ונשאלה השאלה ־ האם אפשר לטייל ,ובמהלך הטיול לעבור על כל גשר בדיוק פעם אחת, אפשר בקלות להפוך את הבעיה לגרף )הגשרים הם צלעות ,והאיים ־ קודקודים( ולשאול ־ האם יש מעגל אוילר? התשובה היא שלא. וההוכחה לכך ־ ממשפט אוילר שיובא להלן: משפט 1.25ב)מולטי(גרף סופי קשיר יש מעגל אוילר אם"ם כל הדרגות הן זוגיות. מסקנה 1.26בגרף סופי קשיר יש מסילת אוילר פתוחה אם"ם יש בו בדיוק 2קודקודים שדרגתם אי־זוגית. . מסקנה ) 1.27הכללה( בגרף סופי קשיר ניתן לכסות את הצלעות ע"י kמסילות זרות בצלעות אם יש בדיוק 2kקודקודים בדרגה אי־זוגית. הוכחה :ראשית נראה שהמשפט גורר את מסקנה א' ,ומסקנה ב' ניתנת להיסק בדרך דומה: נוסיף קודקוד לגרף ונחבר אותו לשני הקודקודים שדרגתם אי־זוגית .קיבלנו גרף שבו כל הדרגות זוגיות ולכן עפ"י המשפט ־ יש מעגל אוילר .כעת נסיר את שתי הצלעות העוקבות שהוספנו ־ ונקבל מסילה פתוחה. את מסקנה ב' נראה באופן דומה ע"י הוספה של kקודקודים חדשים. למה 1.28למשפט אוילר :במסילה )לא סגורה( דרגת שני הקצוות היא אי־זוגית ודרגת כל שאר הקודקודים היא זוגית. הוכחה :למשפט אוילר: כיוון אחד קל ־ אם Gקשיר סופי ,בעל מעגל אוילר ,אזי כל הדרגות זוגיות ,הולכים לאורך המעגל ,מכל קודקוד גם נכנסים וגם יוצאים ולכן דרגתו זוגית. 5 בכיוון השני ־ יהי Gגרף קשיר ,סופי ,בו כל הדרגות הן זוגיות .ניקח ב Gהילוך ללא חזרה על צלעות בעל אורך מקסימלי .הילוך זה הוא בהכרח מעגל .מדוע? אחרת לקצוותיו היו דרגות אי־זוגיות ,לפי הלמה ,ולכן אפשר להאריך את ההילוך בעוד צעד לפחות )כי לא כל הצלעות של קודקוד הסיום מנוצלות(. מעגל זה חייב להכיל את כל הצלעות ,אחרת ניתן להאריכו .מדוע? אם יש צלע שאינה במעגל ,וקודקוד אחד שלה לפחות שייך למעגל ,אזי אפשר להוסיף עוד צעד להילוך ,בסתירה למקסימליות .אם קודקודי הצלע אינם המעגל ,אזי מקשירות ־ ניתן למצוא מסילה מאחד מהקודקודים הנ"ל לקודקוד במעגל ,והמסילה הזו ,כיוון שמתחילה מחוץ למעגל ומסתיימת בתוכו ,מכילה בהכרח צלע שקודקוד אחד שלה במעגל וקודקוד אחד מחוץ למעגל ,ואותה ניתן לצרף להילוך כמקודם ,בסתירה למקסימליות. הגדרה 1.29גרף מכוון יקרא קשיר חזק אם לכל x, y ∈ Vיש מסילה מכוונת מ xל .y משפט 1.30אוילר המכוון :גרף סופי קשיר חזק מכיל מעגל אוילר מכוון אם"ם בכל קודקוד דרגת הכניסה שווה לדרגת היציאה. הגדרה 1.31סדרות דה־ברוין ) B (n, k) (De Bruijnהיא סדרה מעגלית של k nסימנים מתוך הקבוצה 1...kכך שכל אחת מ k nהמילים באורך nמופיעה פעם אחת על המעגל. דוגמאות והסבר 4 נניח שיש קוד כניסה בן 4ספרות )מתוך הספרות (9...0שצריך לנחש .יש סה"כ 10 אפשרויות ,וכל אפשרות היא באורך ,4ולכן לכאורה צריך 40, 000לחיצות .למעשה אפשר לסדר את הספרות על פני מעגל באורך 10, 000בסדרת דה־ברוין ,ואז להקיש על כל הספרות לפי סדר המעגל ,ואז לעבור לאופסט 1ואז לאופסט 2ו .3 סדרת דה־ברוין הראשונה שהוגדרה היתה ) B (3, 2שהוגדרה ע"י משוררי סנסקריט כדי לזכור את כל הצירופים של הברות ארוכות וקצרות ע"י SLLLSLSSSLובעצם אפשר לקצץ שתי האותיות האחרונות ולקבל SLLLSLSSוכל צירוף בן 3אותיות של S, Lמתקבל אם קושרים את הסוף להתחלה כדי ליצור מעגל. בסה"כ יש )(n−1 k!k kn סדרות דה ברוין. שימוש למשפט אוילר המכוון נניח שנרצה למצוא את ) ,B (2, 2נרצה לראות את הרצפים .00, 11, 01, 10 אחרי 00נוכל לראות את ,01אחריו נוכל לראות את 11או ,10אחרי 11אפשר לראות את 10או את 11שוב ,ואחרי 10אפשר לראות את 00או את .01כמובן אפשר לבנות מזה גרף. 6 ואם נמצא בזה המילטוניאן ־ נוכל למצוא את הסדרה המבוקשת. אבל זה קשה ,ולכן נעדיף לתאר את הבעיה באופן כזה שנחפש מעגל אוילר. n גרף דה ברוין על ⟩ ,⟨1...kקודקודיו הן כל המילים באורך nמהא"ב } ,{1, ..., kושתי מילים הן שכנות בגרף דה ברוין אם yמתקבלת מ xע"י הסרת האות הראשונה והוספת אות בסוף. את הצלע בין x1 x2 ...xnובין x2 x3 ...xn yנסמן ע"י ,x1 x2 x3 ...xn yמעגל אוילר בגרף זה מניב סדרת דה־ברוין. למה יש מעגל אוילר בגרף דה ברוין? כי דרגת הכניסה והיציאה של כל קודקוד היא ,k ולכן ממשפט אוילר המכוון ־ יש מעגל אוילר. 1.3 הלמה של שפרנר )לא לבלבל עם משפט שפרנר( סימפלקס d־ממדי הוא הקמור של d + 1נקודות בלתי תלויות אפינית ב .Rd v0 , v1 , ..., vk ∈ Rkב"ת אפינית אם v1 − v0 , v2 − v0 , ..., vk − v0ב"ת ליניארית ,וזה אם"ם הסימפלקס ה kמימדי שהוא הקמור שלהן אינו מנוון. הגדרה 1.32שילוש של סימפלקס היא חלוקתו למשולשים כך שהחיתוך של כל שניים הוא סימפלקס ממימד נמוך יותר )או ריק( ,המכונה גם פאה. משפט 1.33הלמה של שפרנר ־ יהי Tשילוש של סימפלקס kמימדי ,הקמור של } .{v0 , ..., vk ותהי λצביעה של קודקודי השילוש )קודקודי כל הסימפלקסים המופיעים בשילוש( ע"י צבעים .0, 1, 2, ..., k λמקיימת את התכונה הבאה: לכל קודקוד בשילוש יש פאה קטנה ביותר המכילה אותו ו λ (x) = iגורר שפאה זו עבור xמכילה את .i אזי קיים סימפלקס בשילוש אשר נצבע ע"י כל ה k + 1צבעים 7 2 2.1 שפרנר ובראואר הלמה של שפרנר הגדרה 2.1אם p1 , ..., pnנקודות ,אזי הקמור שלהן יסומן ) conv (p1 ...pnהוא הקבוצה: { n } ∑ ∑ ∧ αi pi |α ≥ 0 αi = 1 i=1 . הגדרה 2.2נאמר ש p0 , ..., pnבת"ל אפינית אם p1 −p0 , p2 −p0 , ..., pn −p0בת"ל ליניארית. והמשמעות האינטואיטיבית היא שהקמור של הנקודות הללו הוא ממימד מקסימלי. . הגדרה 2.3סימפלקס nמימדי הוא קמור של נקודות p0 , ..., pnבת"א. . הגדרה 2.4פאה של סימפלקס )שאף היא סימפלקס( היא הקמור של תת קבוצה של הנקודות. . הגדרה 2.5אם xהיא נקודה בסימפלקס הנפרש ע"י ,p0 , ..., pnהתומך של xיסומן ) ,supp (xוהוא הפאה הקטנה ביותר לה xשייך. אם ∑ =x αi pi אז התומך של xהוא הקמור של ה piשעבורם .αi > 0 . הגדרה 2.6שילוש )טריאנגולציה( של גוף כלשהו הוא חלוקה לסימפלקסים כך שכל שניים נחתכים בפאה )זה כולל קודקוד ,שכן הוא פאה ממימד (0או בקבוצה ריקה. דוגמה לשילוש: 8 משפט 2.7הלמה של שפרנר: יהי Sסימפלקס ,שהוא הקמור של .(n ≥ 0) p0 , ..., pn יהי Tשילוש של .S תהי } λ : {T ′ s vertices} → {0, 1, ..., nצביעה של קודקודי Tשמקיימת שלכל קודקוד t ∈ Tמתקיים ) pλ(t) ∈ supp (tכלומר צובעים את tבצבע המתאים לאחד מהקודקודים בתומך שלו. אזי יש סימפלקס בשילוש שבו מופיעים כל הצבעים. למעשה מספר הסימפלקסים הנ"ל הוא אי־זוגי ,ובפרט אינו אפס. הוכחה :באינדוקציה על .n עבור n = 0הסימפלקס הוא נקודה אחת ,והטענה נכונה. נניח נכונות עבור ) n − 1עבור .(n ≥ 1 ניקח סימפלקס nמימדי ,נוסיף קודקוד pש"נצבע" ב .n נרחיב את השילוש של Sלשילוש של ) conv (p0 , ..., pn , pע"י הוספת pלכל אחד מהסימפלקסים ה n − 1מימדיים שבפאה ) .conv (p0 , ..., pn−1 נגדיר גרף שקודקודיו הם סימפלקסי השילוש. יש קודקודים המתאימים לסימפלקסים הישנים )אלו שב (Tוקודקודים שמתאימים לסימפלקסים ה pהוא קודקוד שלהם ,סימפלקסים חדשים. יש צלע בין שני סימפלקסים } {s1 , s2אם"ם הפאה המשותפת להם צבועה בצבעים } {0, 1, 2, ..., n − 1בדיוק ,בפרט אם אין להם פאה משותפת ־ אז אין צלע. אין צלעות בין קודקודים המתאימים לסימפלקסים חדשים ,שכן הפאות ה n−1מימדיות המשותפות להם מכילות את הנקודה ,pשצבועה בצבע .n מהנחת האינדוקציה יש מספר אי־זוגי של קודקודים חדשים מדרגה .1מדוע? בפאה שחיברנו ל pיש מה"א מספר אי־זוגי של סימפלקסים שצבועים בצבעים },{0, 1, ..., n − 1 וכל אחד מאלו מהווה את פאת החיתוך בין סימפלקס ישן לסימפלקס חדש כלשהו) .כדאי לצייר את המקרה הדו־מימדי כדי להשתכנע( .הדרגה של הקודקוד הזה היא 1שכן כל שכניו האחרים הם חדשים גם כן ,ולכן אין ביניהם צלע. ממשפט לחיצות הידיים ,מספר הקודקודים שדרגתם אי זוגית הוא זוגי ,ולכן יש מספר אי־זוגי של קודקודים ישנים בדרגה אי־זוגית ,לכל אחד מהם יש בהכרח פאה שצבועה ב }{0, 1, ..., n − 1 אם המספרים 0, 1, ..., n − 1מופיעים על סימפלקס ,אז דרגתו היא 1או ,2בהתאם אם מופיע או לא מופיע הצבע .nמדוע? ניקח קודקוד ,הוא צבוע ב n + 1צבעים )לא בהכרח שונים( כאשר חלקם הוא } ,{0, 1, ..., n − 1ואז אם צבעו של הקודקוד האחרון הוא n־ אז דרגת הקודקוד ,1ואחרת יש לו שתי צלעות ,כי יש שתי דרכים לבחור עבורו את הצבעים }.{0, .., n − 1 מכאן שהדרגות בגרף הן רק 0, 1, 2וקיים קודקוד שדרגתו היא ,1וממשפט לחיצות הידיים נובע שיש מספר אי זוגי של קודקודים שכאלו ,כנדרש. 2.2 נקודת השבת של בראוור משפט 2.8נקודת השבת של בראוור: לכל העתקה רציפה של ) B nהכדור ה nמימדי הסגור( לעצמו ,יש נקודת שבת. קל להשתכנע שלא מוכרחים לקחת כדור סגור ,ואפשר לקחת משהו הומיאומורפי ,למשל סימפלקס n־מימדי. הוכחה :יהי Sהקמור של nנקודות )זהו קמור n−1מימדי( הבסיס הסטנדרטי .e1 , e2 , ..., en 9 ∑n ואז } , S = {t| i=1 ti = 1, ti ≥ 0נקבל בשלושה מימדים משולש דו־מימדי שיושב באלכסון למרכז הצירים )פחות או יותר(. תהי f : S → Sרציפה. ניקח שילוש של ,Sלמשל את החלוקה הבריצנטרית. )ניקח בהמשך שילושים כך שקוטר הסימפלקסים ישאף לאפס(. לכל פאה ) conv (pi1 , ..., pikנתאים את מרכז הכובד שלה .בשילוש שמגדירה החלוקה הבריצנטרית יש בדיוק ! nסימפלקסים: לכל סדרה של ) pi1 ̸= pi2 ...pinפרמוטציה של הקודקודים( נתאים את הסימפלקס שקודקודיו הם: ־ מרכז הכובד של pi1 ־ מרכז הכובד של pi1 , pi2 ... ־ מרכז הכובד של pi1 , ..., pin לא קשה להתרשם שזהו אכן שילוש )תרגיל( כמו כן הקוטר של הסימפלקסים החדשים קטן יותר :אורך מקצוע של סימפלקס חדש n−1מהתיכון של הסימפלקס המקורי )קטע שמחבר קודקוד למרכז הכובד של הוא קטן מ n שאר הקודקודים( ,מתכונות התיכון. Tשילוש של .S } Mi = {s ∈ S|si > [f (s)]i לכל קודקוד t ∈ Tנבחר צבע iכך ש t ∈ Mi הערות: ∑ Miאלא אם מתקיים ) .t = f (tאם יש נקודת שבת אז סיימנו. שייך לאיזהשהו t .1כל ∑ = ti = 1 [f (t)]i ∈ eiאם"ם 0 = tiואז מתקיים ) ¬ (ti > [f (t)]i .2זו צביעת שפרנר כי )/ supp (t לכן אם אף אחד מקודקודי השילוש אינו נקודת שבת ,אז יש סימפלקס רב צבעי .נשלש אותו ע"י חלוקה בריצנטרית. נמשיך בתהליך זה ,ונקבל סדרה אינסופית של סימפלקסים מוכלים זה בזה שהולכים וקטנים: ) (1 conv t1 , ..., t1n ( ) conv t21 , ..., t2n ... זוהי סדרת סימפלקסים סגורים בעלי קוטר ששואף לאפס ,ועל פי הלמה של קנטור ־ יש להם נקודה משותפת ,בפרט יש tיחיד הנמצא בכולם. ולכן : t11 , t12 , t13 , ... → t t21 , t22 , t23 , ... → t ... 10 tn1 , tn2 , ... → t מרציפות של fמתקיים ,x1 ≥ [f (x)]1כנ"ל לכל הקואורדינטות של .xוכיוון שסכום הקוא' הוא בדיוק ,1אזי כל הקוא' שוות .לכן יש שוויון ו xנקודת שבת. 3 משפט בורסוק אולם נראה כי משפט בורסוק אולם גורר את משפט נקודת השבת של בראוור. משפט 3.1בורסוק אולם :אין העתקה רציפה מהכדור הדו מימדי לשפה שלו ,שהיא קבועה על השפה. טענה 3.2בורסוק אולם ⇐בראוור הוכחה :נניח f : B → Bרציפה ללא נקודות שבת. נגדיר gבסתירה לבורסוק אולם .לכל ) f (xניקח את xונמתח ישר מ )f (xל .xאת ) g (xנקבע להיות הנקודה שעל שולי המעגל בקצה הקרן .במידה ש xעל שולי המעגל ־ נקבל ש g (x) = xכפי שדרשנו .וההעתקה שדרשנו אכן רציפה. הגדרה 3.3 { } ∑ | S n = x ∈ Rn+1 x2i = 1 { } ∑ | B n = x ∈ Rn x2i ≤ 1 { } ∑ | Sˆn = x ∈ Rn+1 |xi | = 1 { } ∑ | Bˆn = x ∈ Rn |xi | ≤ 1 . הגדרה 3.4העתקה קוטבית מקיימת )) −f (x) = f (−xאנטיפודלית( נשתמש מעתה באופן חופשי במונחים קבוצה פתוחה ,קבוצה סגורה ,קבוצה קומפקטית ,מרחק מקבוצה ,קוטר של קבוצה כפי שהם מוגדרים ב .Rn לעיתים נתבונן בטופולוגיה יחסית ,כלומר הקבוצות שהן סגורות או פתוחות ביחס לקבוצה כלשהי שמכילה אותן. 11 3.0.1 בורסוק אולם בניסוחים שונים .1אם f : S n → Rnרציפה ,אזי קיימת xכך ש )f (x) = f (−x .2אם f : S n → Rnוקוטבית ,אזי קיימת xכך ש .f (x) = 0 .3אין העתקה f : S n → S n−1רציפה וקוטבית. .4אין f : B n → S n−1רציפה קוטבית על השפה. .5אין כיסוי של S nע"י n + 1קבוצות סגורות בקוטר קטן מ .2כלומר בכל כיסוי של S nע"י קבוצות סגורות F1 , ..., Fn+1קיים iוקיימת xכך ש x ∈ Fiוגם .−x ∈ Fi .6בכל כיסוי של S nע"י n + 1קבוצות פתוחות ,A1 , ..., An+1קיים iוקיים xכך ש x ∈ Aiו −x ∈ Ai .7בכל כיסוי ע"י קבוצות פתוחות וסגורות ) ...אותו הדבר כמקודם( ברור שניתן לכסות את S nע"י n + 2קבוצות סגורות ־ אם אתה כולא בתוכו סימפלקס ומטיל אותו לכל הכיוונים. בורסוק שאל האם כל קבוצה קמורה ב Rdניתנת לחלוקה ל d + 2קבוצות מקוטר קטן יותר. בורסוק הוכיח זאת עבור .d = 2 אחרים הוכיחו זאת עבור d = 3וכן לכל dעבור קבוצות חלקות ,לקבוצות סימטרית מרכזית ,ולגופי סיבוב. 93הוכיחו קלעי וקהן כי התשובה לשאלתו של בורסוק היא שלילית ,ובמימד גדול דיו ב √ צריך C dחלקים ,ובפרט לא ליניארי ב ,dהדוגמה הקונקרטית הכי קטנה שאנחנו מכירים היא ממימד .256 3.0.2 שקילויות 1 ⇒ 2טריויאלי ,שכן . f (x) = f (−x) = −f (−x) = 0 2 ⇒ 1בהנתן fכמו ב 1נפעיל את 2על ) g (x) = f (x) − f (−xונקבל את הדרוש. 2 ⇒ 3כיוון ש 3הוא מקרה פרטי של .2 3 ⇒ 2בהנתן דוגמה נגדית ל 2־ ניתן לנרמל אותה ולקבל דוגמה נגדית ל :3אם f )(x |)g (x) = |ff (x דוגמה נגדית ל ,2אז נתבונן ב 3 ⇔ 4תרגיל .עבור n = 2אומר סעיף 3שאי אפשר להעתיק את הספירה לקו המשווה, ו 4אומר שאי אפשר להעתיק את העיגול לקו המשווה ,ואז לשם השקילות מספיק להציג העתקה מתאימה בין B nל .S n 1 ⇒ 5נניח ש F1 , ..., Fn+1כיסוי של S nע"י קבוצות סגורות .נתבונן ב f : S n → Rn המוגדרת ע"י: )) f (x) = (d (x, F1 ) , d (x, F2 ) , ..., (x, Fn ואז לפי 1קיים xכך ש ) ,f (x) = f (−xכלומר שהמרחק של xמכ"א מהקבוצות הוא כמו המרחק של −xמאותן קבוצות .אם קיים iכך ש [f (x)]i = 0אזי [f (−x)]i = 0 ולכן שניהם שייכים לאותה קבוצה .ובהכרח קיים iשכזה ,שכן הקבוצות מהוות כיסוי. 5⇒3 12 יש כיסוי של S n−1ע"י n + 1קבוצות סגורות ללא x, −xהשייכות לאותה קבוצה .ולו היתה fהמהווה דוגמא נגדית ל 3אזי התמונות ההפוכות של הכיסוי הנ"ל היו נותנות דוגמא נגדית ל ) 5מסתמכים על כך שתמונה הפוכה של קב' סגורה היא סגורה( 6 ⇒ 5נראה ש : ¬5 ⇒ ¬6 כיסוי ע"י סגורות ללא x, −xהשייכות לאותה קבוצה ,פירושו שכל הקבוצות הסגורות הן עם קוטר קטן ממש מ ,2כי בקבוצה סגורה הקוטר מתקבל )אנחנו במרחב קומפקטי(. ולכן קיים α < 2כך שכל F1 , ..., Fn+1עם קוטר קטן .αאז אם נרפד אותן ב εכך ש α + 2ε < 2נקבל קבוצות פתוחות עם קוטר קטן מ 2בסתירה ל .6 לרפד הכוונה לבנות קבוצה פתוחה מכילה וקרובה בגודלה ע"י: }Fi ⊆ Fi + ε = {x|d (x, Fi ) < ε :5 ⇒ 6 בהנתן C1 , ..., Cn+1קב' פתוחות המכסות את ,S nניצור F1 , ..., Fn+1המכסות את S nכך ש . Fi ⊂ Ci לכל x ∈ S nנבחר iכך ש x ∈ Ciונבחר εכך ש , Bε (x) ⊂ Ciזהו כדור סגור. אוסף הכדורים הפתוחים המקבילים לזה הוא כיסוי ,מקומפקטיות יש תת כיסוי סופי ,נגדיר כל Fiלהיות אוסף הכדורים הסגורים המשוייכים ל .Ciהאוסף הסופי הזה F1 , ..., Fn+1 הוא האוסף המבוקש. 7־ תרגיל. 3.1 המשך בורסוק אולם עד כה עבדנו בנורמה L2והתבוננו בכדור היחידה ,מסתבר שיהיה נוח יותר להתבונן בכדור היחידה ב ) L1בדו מימד זהו ריבוע שמונח על קודקודו( ,אותו נסמן ע"י ˆ 2 .B נרצה להוכיח שאין f : B n → S n−1רציפה וקוטבית על השפה ,ונעשה זאת בהתייחס לנורמה ,L1כלומר שאין ˆ f ; Bˆn → S n−1כנ"ל. משפט 3.5הלמה של טאקר ־ יהי Tשילוש של Bˆnסימטרי על השפה )כלומר מה שקורה בפאה אחת קורה גם בפאה שמולה( בדומה ללמה של שפרנר נגדיר צביעה של הנקודות בשילוש בצבעי הקודקודים ,נבחין כי במקרה דנן יש יותר קודקודים ,למשל במקרה הדו ממדי יש ארבעה ,ולכן קודקודי Bˆnהם n {±ei }i=1 תהי }λ : V (T ) → {±1, ..., ±n כך ש λקוטבית על השפה. אזי יש צלע )חד מימדית בשילוש( שקודקודיה צבועים ב iו . −i . טענה 3.6בורסוק־אולם ⇐טאקר הוכחה :נניח שנתון שילוש וצביעה המפרים את הלמה של טאקר. הצביעה מגדירה פונקציה מקודקודי השילוש לקודקודי ) Sˆn−1קודקודי ˆ n .(Bאם אין צלע המסומנת +i, −iהרי התמונה של כל סימפלקס בשילוש תחת הצביעה ,היא סימפלקס )אולי ממימד נמוך יותר( על השפה של . Sˆn−1מדוע? כל תת קבוצה של }{±1, .., ±n שאינה מכילה שני קודקודים נגדיים ־ מגדירה פאה בסימפלקס ממימד כלשהו. 13 נרחיב זאת לינארית ,כלומר נשלח כל קודקוד בשילוש לקודקוד של ,Sˆn−1ונרחיב לינארית את זה להעתקה שסותרת את ,BUע"י מתיחה של כל סימפלקס לפאה המתאימה ב .Sˆn−1 טענה 3.7טאקר ⇐בורסוק־אולם הוכחה :נניח בשלילה קיום ˆ f : Bˆn → S n−1רציפה וקוטבית על השפה f .רציפה במידה שווה ,ולכן קיים δכך ש: 2 2 < | ⇒ ∀i : |f (x)i − f (y)i n n < ∞))d (x, y) < δ ⇒ d (f (x) , f (y אין בעיה עם דרישת הקרבה בנורמה ∞ כיוון שכל הנורמות ב Rnשקולות. ניקח שילוש של Bˆnעם קוטר קטן מ ) δלמשל ־ נוסיף קודקוד ב ,0נחבר אליו את כל תתי הקבוצות שאינן מכילות קוד' נגדיים מ } {±1, ..., ±nואז נמשיך באמצעות חלוקה בריצנטרית(. נגדיר צביעה של קודקודי השילוש בצבעים ±1, ..., ±nבאמצעות :f בהנתן x־ נתבונן ב ) f (xונצבע את xעפ"י הקוא' בעלת הערך המוחלט הגדול ביותר, ומחליטים על דרך סטנדרטית לשבור תיקו .למשל אם הקוא' ה 17היתה מקסימלית בערך מוחלט ־ אם היא חיובית ניתן לקודקוד את הצבע 17ואחרת ־ את הערך 17־ .במילים אחרות צבענו לפי הקודקוד של Bˆnשהכי קרוב ל ) f (xבנורמת אינסוף. כמובן שצביעה זו היא קוטבית. לפי טאקר קיימים שני קודקודים שכנים בשילוש כך שהם צבועים ב .+i, −iנניח קודקודים אלו הם .x, yעל פי הנחתנו d (x, y) < δאבל ) f (xקרוב ל eiו ) f (yקרוב ל .−eiכמה קרוב? העובדה ש ) f (xהכי קרוב ל iמשמעו שהקוא' ה iבו חיובית והכי דומיננטית .באופן דומה ־ הקוא' ה iב yהיא שלילית והכי דומיננטית ,ולכן מתקיים: 2 n > ∞|)|f (x) − f (y בסתירה לרציפות במ"ש כפי שהנחנו. .הוכחה) :הלמה של טאקר( נחלק את Bˆnל 2nסימפלקסים ע"י הוספת קודקוד ב 0וחיבורו לכל תתי הקבוצות של הקודקודים שאינן מכילות קודקודים נגדיים. נוכיח את הלמה של טאקר לשילושים שמעדנים שילוש זה. ע"מ להוכיח את בורסוק אולם ־ בחרנו בחלוקה שמכבדת עיקרון זה ,ולכן אם נוכיח זאת ־ נוכיח את בורסוק אולם ,ומהגרירה הראשונה נובעת מכך הלמה של טאקר עבור המקרה הכללי. בהנתן שילוש כנ"ל וצביעה קוטבית על השפה נגדיר גרף שיוכיח קיומה של צלע הצבועה ב .+i, −i לכל סימפלקס σבשילוש ,נגדיר ) = Λ (σהצבעים המופיעים על קודקודי .σ נגדיר גם )=S (σלוקחים נקודה פנימית ב σורושמים עם סימן אילו קוא' אינן ) 0זה מוגדר היטב( .למשל עבור שילוש בשני מימדים ־ צלע שיושבת בדיוק על ציר ה yבאיזור השלילי תיתן −2ב ,Sוסימפלקס דו מימדי כלשהו בתוך הסימפלקס הגדול ,אם הוא ברביע הימני העליון ,יתן 1, 2למשל. נאמר ש σשמח אם ,S ⊆ Λכלומר אם הקוא' בנקודות הפנימיות שאינן אפס ,בתוספת סימן ,אכן באות לידי ביטוי בצבעים של קודקודי הסימפלקס. 14 נבחין כי אם |) k = |S (σאז ,dim (σ) ≤ kכיוון שנובע שיש בו קוא' שאינן אפסות ב kמקומות .אם הוא שמח אז |) ,k ≤ |Λ (σואז לסימפלקס לפחות kתויות ,ולכן הוא k − 1 מימדי לפחות ,כלומר .dim (σ) ≥ k − 1 אם dim (σ) = k − 1ו ) ,Λ (σ) = S (σנאמר ש σשמח והדוק ,כלומר בדיוק התויות הדרושות כדי לשמח אותו מופיעות עליו ,כל אחת ־ פעם אחת. נשים לב ש σשמח ועל השפה הוא גם הדוק .וכן ־ } {0הוא שמח ורופף )באופן ריק ־ כיוון שאין לו נקודה פנימית(. קודקודי הגרף שנגדיר הם הסימפלקסים השמחים )מכל המימדים( ושני קודקודים המתאימים ל σול τהם שכנים אם אחד מהבאים מתקיים: σ .1ו τהם אנטיפודליים על השפה. τ .2פאה של σותויות קודקודי τמספיקות בכדי לשמח את .σ טענה: אם אין צלע בשילוש שמתוייגת ב +i, −iאזי בגרף הנ"ל כל הדרגות הן 2למעט דרגת הקודקוד המתאים לסימפלקס } {0שהיא ,1וזו סתירה ,כי אין גרף שכזה. דרגת הקודקוד המתאים ל } {0היא 1־ קל .הסימפלקס שמח באופן ברור ,ויש צלע בינו לבין צלע שנמצאת על אחד הצירים ,המתאימה לתיוג של } ,{0ורק היא קיימת עבור }.{0 קודקודים אחרים :הדוק ושמח 1.1על השפה ־ 2שכנים ,האחד ־ התאום הקוטבי לו .השני ־ סימפלקס ממימד גבוה יותר ,שדורש אותן תויות בשביל להיות שמח. 1.2הדוק ושמח לא על השפה :במקרה זה הוא פאה של 2סימפלקסים ממימד גבוה יותר שאותם הוא משמח. 2.1שמח ורופף ־ )) S (σ) = Λ (σיש תוית שמופיעה פעמיים( ולכן יש שתי פאות של σ המשמחות אותה ואלו שכניה היחידים 2.2שמח ורופף ־ )) S (σ) ( Λ (σיש תוית שאין צורך בה( אז יש שני שכנים ־ שכן אחד הוא הפאה המתוייגת ע"י ) ,S (σכמו כן נניח } ,Λ (σ) \ S (σ) = {iומכאן ש ∈ ) −iהנחנו שאין צלע של +i, −iוזה אומר ש σחי בעל־מישור xi = 0ולכן )/ S (σ) , Λ (σ σפאה של סימפלקס ממימד גבוה יותר ,נכנה אותו ∗ ,σכך ש } S (σ ∗ ) = S (σ) ∪ {iולכן σמשמחת אותו ־ ויש צלע } ∗ .{σ, σ 3.2 השערת קנסר )משפט לובס(: גרף קנסר ) K (n, kכך ש 2k + 1 ≤ n הקודקודים = ה k־יות המוכלות ב ] ,[nכלומר יש 2קודקודים שכנים אם"ם הקבוצות המתאימות זרות. להלן ):K (5, 2 )(n k 15 קודקודים. )מתוך ויקיפדיה( צביעה של גרף ב lצבעים היא: }C : V (G) → {1, ..., l כך ש i ∼ jאז )c (i) ̸= c (j מספר הצביעה של Gיסומן ) χ (Gוהוא ה lהמינימלי כך שיש צביעה חוקית ב lצבעים. אם Gאינו טריוויאלי ,אזי קל לראות ש χ (G) = 2אם"ם אין בו מעגלים באורך אי־זוגי )כלומר הוא דו־צדדי(. השאלה האם χ (G) ≥ 3באופן כללי היא N Pקשה. נוכל לצבוע ב 3צבעים את הגרף ) K (5, 2לעיל ע"י צביעת כל הזוגות המכילים את 1 בצהוב ,כל הזוגות המכילים את 2וטרם נצבעו בכחול וכל השאר בירוק. מדוע כשהגענו ל"כל השאר" הנחנו שיהיה בסדר ,כי הבחנו שנותרה שלישיה ,וכל שני זוגות מתוכה יחתכו בהכרח ולכן אין שני זוגות מתוכה שיש ביניהם צלע. זה מעלה אלגוריתם כללי לצביעת ) K (n, kב n − 2k + 2צבעים ע"ׁי: .1על מי שמכיל את n .2כל מי שמכיל את n − 1 ... .3 n − 2k + 1כל מי שמכיל את 2k ובצבע n − 2k + 2את כל השאר. קנסר) :(55האם ניתן לצבוע את ) K (n, kבאופן חוקי ב n − 2k + 1צבעים? χ (K (n, k)) = n − 2k + 2או קטן יותר? האם משפט 3.8לובס) (78אכן χ (K (n, k)) = n − 2k + 2תוך שימוש מהפכני בבורסוק אולם. הוכחה) :גרין מ (2002 נניח בשלילה צביעה של ) K (n, kב n − 2k + 1 < n − 2k + 2צבעים ,נגדיר = d ,n − 2k + 1נמקם nנקודות על פני הספירה S dבמצב כללי )כלומר אין d + 1מהן שחיות ב .(S d−1 16 נגדיר קבוצות פתוחות ש C1 , ..., Cdכך ש x ∈ Ciאם בחצי הספירה הפתוחה שמרכזה ב xיש k־יה שהקודקוד המתאים לה נצבע בצבע .iברור ש Ciפתוחות .נגדיר: ) ( d ∪ d \ F =S Ci i=1 סגורה. מבורסוק אולם ־ קיים x, −xששייכים ל Ciכלשהי )אפשרות א'( או ל ) Fאפשרות ב'(. א .יש הפרדה בין שתי k־יות בעלות אותו צבע ,אבל הן זרות ולכן מתקבלת צלע בגרף, בסתירה לצביעה. ב .כיוון ש xוגם −xאינן באחת ה Ci־ים ,בהכרח בהמיספירה שמכילה כ"א מהן יש לכל היותר k − 1איברים מתוך ה ,nכלומר כל שאר ה n − 2 (k − 1) = d + 1הנקודות נמצאות על "קו המשווה" שבין xל ,−xבסתירה להנחת המצב הכללי. 4עצים עץ הוא גרף קשיר חסר מעגלים משפט 4.1התנאים הבאים שקולים: .1קשיר חסר מעגלים .2קשיר מינימלי .3חסר מעגלים מקסימלי .4קשיר ו ) |V | = |E| + 1בגרף סופי( .5חסר מעגלים ו )|V | = |E| + 1בגרף סופי( .6בין כל 2קודקודים יש מסילה פשוטה יחידה. | |V נתבונן פעמים רבות על הצלעות בגרף כוקטורים בינאריים במרחב ,F2כאשר וקטור צלע מקבל 1בשני המקומות המתאימים לקודקודים שהוא מחבר ביניהם ,וזה מוכל בתת מרחב Wשמוגדר ע"י הוקטורים שהקוא' שלהן מסתכמות ל .0 * אוסף של וקטורי צלע הוא פורש את Wאם"ם הצלעות יוצרות גרף קשיר * אוסף צלעות כנ"ל בת"ל אם"ם הגרף שנוצר על ידיהן הוא חסר מעגלים הרעיון הזה מוכיח בעצם את כל השקילויות ונוכיח אותו בתרגיל הבית. הוכחה :נוכיח רק את 2 ⇒ 3 יהי Gגרף קשיר מינימלי ,תהי ) ,e ∈ E (Gאם eשייכת למעגל הרי השמטתה לא תפגע בקשירות ,שהרי כל הילוך שישתמש ב eיוכל להשתמש בשאר המעגל. בסתירה למינימליות ,ולכן Gחסר מעגלים. ∈ } ,{x, yאזי מקשירות נראה מקסימליות ביחס לתכונה זו ־ יהיו x, y ∈ Vכך ש / E יש מסילה פשוט מ xל ) yשאיננה צלע( ואז הוספת הצלע } {x, yיוצרת מעגל ,ולכן הגרף חסר מעגלים מקסימלי. הגדרה 4.2עלה בעץ הוא קודקוד מדרגה .1 טענה 4.3בכל עץ סופי עם צלע אחת לפחות יש עלה 17 הוכחה :מתחילים מקודקוד שרירותי ולוקחים מסילה פשוטה באורך מקסימלי המתחילה בקודקוד זה .מסילה זו חייבת להסתיים בעלה ,אחרת היה אפשר להמשיך. טענה 4.4בכל עץ סופי בעל צלע אחת לפחות יש לפחות שני עלים. הוכחה :כמקודם ,רק מתחילים בעלה שמובטח מההוכחה הקודמת. .הוכחה) :אלטרנטיבית ,לקיום שני עלים( בעץ עם nקודקודים יש n − 1צלעות ,ולכן סכומן הוא .2n − 2מקשירות כל הדרגות הן חיוביות ממש ,אבל לו היו 0או 1קודקודים מדרגה ,1אזי סכום הדרגות היה לפחות .2n − 1מכאן נובע שיש לפחות 2קודקודים מדרגה ,1 כנדרש. נתבונן בסדרת הדרגות של עץ על nקודקודים ,נסמנה ).d (1) , d (2) , ..., d (n יודעים כי: ∑ • d (i) = 2n − 2 • לכל iמתקיים ש d (i) > 0 שאלה :בהנתן סדרה ) ,d (1) , ..., d (nכמה עצים יש על קבוצת הקודקודים 1, ..., nשזו סדרת הדרגות שלהם? במקרה של ) (1, 3, 1, 1יש בדיוק עץ אחד במקרה של ) (1, 2, 2, 1יש שני עצים ,שניהם איזומורפים אבל שונים כעצים מסומנים. התשובהnn−2 : שאלה קשורה :כמה עצים מסומנים שונים יש על קבוצת קודקודים? הוכחה עם סדרות־דרגות )אפשר למצוא בספר של ליניאל ופרנס( הוכחה שניה של פיטמן ) (pitmanאפשר למצוא באינטרנט. בהנתן סדרה d1 , ..., dnנסמן ב Td1 ,d2 ,...,nאת מספר העצים עם סדרת דרגות זו .אם הסדרה היא באורך ,1אז d1 = 0ונקבל .T0 = 1 אחרת ־ יש עץ עם לפחות צלע אחת ונוכל לפי המשפט הקודם לקבל שבעץ הזה יש עלה. בה"כ נאמר שהעלה הזה מזוהה עם הקודקוד ה n־י ולכן .dn = 1 הסרת עלה והצלע המחוברת עליו שומרת על היות הגרף העץ ,וכדי להבין איך נראה שאר הגרף ־ נצטרך לדעת מיהו שכנו של .n נמיין את מספר הדרכים להשלים את העץ לפי "מיהו שכנו היחיד של ."?n נקבל : Td1 ,d2 ,...,dn−1 ,1 = Td1 −1,d2 ,...,dn−1 Td1 ,d2 −1,...,dn−1 + ... + Td1 ,d2 ,...,dn−1 −1 זה מזכיר את נוסחת הנסיגה של המקדמים המולטינומיים. () ( ( ) ) m m − c1 m − c1 − c2 − ... − ck−1 !m = ··... = c1 c2 ck ! c1 !c2 !...ck ) ( m c1 , c2 , c3 , ..., ck וזהו מספר הדרכים לחלק mעצמים כך ש c1יצבעו בצבע c2 ,1יצבעו בצבע 2וכן הלאה )וסכום ה ciהוא כל העצמים(. אם אחד מה ciאינו שלם ואי שלילי ,נגדיר את ערך המקדם המולטינומי להיות .0 כמו כן אם סכום ה ciלא שווה ל mאז נגדיר אותו כ .0 18 4.1 שלוש תכונות של המקדמים המולטינומיים: .1 !0 !0!0 .2 ) 0 0, 0 ==1 ) ( m c1 , c2 , ..., ck , 0 .3 ) ( ) m−1 m−1 +...+ c1 , c2 − 1, ..., ck c1 , c2 , ..., ck − 1 ) = ( ) + ( ( m c1 , c2 , ..., ck ( m−1 c1 − 1, c2 , ..., ck ) = ( m c1 , c2 , ..., ck )המקרה הכללי של זהות פסקל( .4 ) xc11 xc22 · ... · xckk m c1 , ..., ck ( ∑ = m ) (x1 + x2 + ... + xk c1 ,...,ck ואם מציבים 1לכל המשתנים זה נותן: ) m c1 , ..., ck (∑ = km וזה לא כל כך מפתיע ,כי זה משקף את סך כל הדרכים לצבוע mחפצים ב kצבעים באיזו דרך שנרצה. שמים לב ש Tמאד דומה למקדם המולטינומי ומגיעים לניחוש: ( ) n−2 = Td1 ,d2 ,...,dn d1 − 1, d2 − 1, ..., dn − 1 )(0 ומוכיחים באינדוקציה כאשר הבסיס הוא T1,1 = 0,0 = 1 שלב המעבר: ( ( ) ) n−3 n−3 }Td1 ,d2 ,...,1 |{z = + + ... d1 − 2, d2 − 1, ..., dn−1 − 1 d1 − 1, d2 − 2, ..., dn−1 − 1 I.H. ( ) ( ) n−2 n−2 = = }|{z d1 − 1, ..., dn−1 − 1 |{z} d1 − 1, ..., dn−1 − 1, dn − 1 dn =1 ולכן מספר העצים על nקודקודים מסומנים הוא: ) ( ∑ n−2 = nn−2 d1 − 1, ..., dn − 1 d1 ,...,dn עץ הוא קשיר חסר מעגלים. 19 multinom = Td1 ,...,dn ∑ d1 ,...,dn הגדרה 4.5יער = גרף חסר מעגלים כלשהו . הגדרה 4.6עץ משורש ־ עץ עם קודקוד מיוחס נתבונן ביער של עצים משורשים. אם Cהוא מספר העצים על nקודקודים מסומנים ,הרי מספר העצים המשורשים על n קודקודים מסומנים הוא .n · C הגדרה 4.7גיזום :לוקחים עץ משורש ,מסירים צלע } ,{x, yאחרי ההחסרה מקבלים 2עצים, בה"כ xשייך לרכיב הקשירות של השורש ,ונכריז על השורש הקודם כשורש רכיב הקשירות של xועל yכעל שורש רכיב הקשירות של ⇐ yקיבלנו שני עצים משורשים. . הגדרה 4.8בהנתן 2עצים משורשים T1ו ,T2בוחרים קודקוד ב ,T1מחברים בצלע לשורש של T2ומכריזים על השורש של T1כעל שורש העץ החדש שנוצר) .זו הפעולה ההפוכה לגיזום( פיטמן בנה ארבוריטום )מוזיאון של עצים(: הארבוריטום מסודר בשכבות ,נכנה אותן 1, 2, 3, ..., nכאשר בשכבה ה kיש חלקות, ובכל חלקה יער עם kעצים משורשים על הקודקודים ,1, .., nוהארבוריטום ממצה. חלקות ברמה ה kמחוברות לחלקות ברמה ה k + 1אם היער ברמה ה k + 1התקבל מזה שברמה ה kע"י גיזום. בשכבה הראשונה יש עץ אחד בחלקה ,ולו n − 1צלעות בשכבה השניה יש שני עצים ומספר הצלעות הכולל הוא n − 2 וכך הלאה ,בשכבה ה nיש nעצים בחלקה ,ובסך הכל 0צלעות )יש רק יער אחד שכזה( נספור עבור כל שכבה ־ כמה שבילים יש כדי להגיע שכבה אחת למטה יותר )כלומר מהשכבה ה kלשכבה ה (k + 1־ מהשכבה ה n־ית עצמה יש שביל אחד למטה ,ומהשכבה הראשונה יש n − 1שבילים לשניה ,מהשכבה השניה לשלישית n − 2וכן הלאה. כמה שבילים יש למעלה? מהשכבה הראשונה יש דרך .1 מהשכבה השניה יש nדרכים לעלות ,כי יש nאפשרויות על מי להרכיב ואחר כך k − 1 אפשרויות מי להרכיב עליו .מאותו נימוק יש n · 2דרכים לעלות מהשכבה השלישית לשניה וכן הלאה. מספר השבילים מהרמה ה 1לרמה ה nהוא = 1 · n · (n − 1) · n · (n − 2) · ... · n · 1 !) . nn−1 (n − 1כמו כן אם בוחרים נק' התחלה אפשר לקבל !) C · n · (n − 1והמספרים שווים ולכן C = nn−2 20 4.2משפט על עצים ומטריצות Matrix Tree Theorem מתוך רשימות הרצאה של Babai מולטי גרף מכוון )ללא לולאות(. בהנתן מולטי גרף מכוון Gוקודקוד מיוחס ,xניתן להתבונן בתת גרפים של Gבהם דרגת היציאה של כל קודקוד למעט xהיא ,1ודרגת היציאה של xהיא .0 תת גרף כזה נקרא תת גרף פונקציונלי = מייצג פונקציה מ } V (G) \ {xל ) ,V (Gוניתן לשאול גם כמה תת גרפים פונקציונלים מהוים עץ )עם xכשורש(. דוגמא אם מחליפים כל צלע ב ) Knגרף שלם על (nבזוג צלעות מכוונות )הלוך ושוב( ובוחרים קדקוד כלשהו ,אזי מספר העצים הפונקציונליים ביחס לקודקוד זה ,הוא בדיוק מספר העצים הלא־מכוונים ,אם נבנה מטריצת שכנויות עבור העץ שעל האלכסון יהיו דרגות היציאה ובתאים האחרים נרשום את מספר הצלעות מ iל jבסימן שלילי .הטענה היא שאם נבחר תא המתאים לקודקוד כלשהו ,נמחק את השורה והעמודה שלו וניקח דטרמיננטה של המטריצה שנותרה ־ נקבל מספר העצים הפונקציונלים ביחס לקודקוד שמחקנו. קיילי⇒ M T T דטרמיננטה היא מכפלת הערכים העצמיים n .הוא ערך עצמי בריבוי ,n − 2העקבה 2 ) (traceהיא ) (n − 1והיא גם סכום הערכים העצמיים ולכן זה יוצא (n − 2) · n + λולכן n−2 .n λ = 1ומכפלת הערכים העצמיים היא בהנתן תמורה π ∈ Snניתן לכתוב את πכמכפלה של מחזורים זרים π = τ1 · τ2 · ... · τk למשל ) π = (123) (4765) (89וכתיבה זו היא יחידה עד כדי שינוי סדר. הגדרה 4.9בהנתן מולטיגרף מכוון ,Gהלפלסיאן של Gהיא מטריצה ששורותיה ועמודותיה מאונדקסות ע"י קודקודי ,Gכך ש ) Lii = outdeg (iו )|i ̸= j : Lij = − (|edges f rom i to j משפט (MTT) 4.10בהנתן Gכנ"ל וקודקוד ,xמספר התת־גרפים הפונקציונליים ביחס ל xשהם עצים )בגרפים לא מכוונים( הוא הדטרמיננטה של המטריצה ) =M (xהמתקבלת ממחיקת השורה והעמודה המתאימות ל .x למה 4.11בהנתן מחזורים } τ1 , τ2 , ..., τk ∈ Sn\{xניתן לשאול כמה תתי גרפים פונקציונלים ביחס ל xיש ל Gבהם מופיעים המחזורים τ1 , ..., τkלמשל המחזור )(123מופיע בתת גרף, אם יש מעגל .1 → 2 → 3 → 1 אם המחזורים אינם זרים ־ התשובה היא ,0שכן אין אנו מרשים שדרגת היציאה של קודקוד תהיה גדולה מ .1 אם τ1 , ..., τkזרים ,נגדיר π = τ1 · τ2 · ... · τkו M = Mxהלפלסיאן המצומצם ,אזי התשובה היא: ∏ )Mi,π(i הוכחה :ספירה פשוטה ־ שכן בכל מעגל על 1, 2, 3למשל ,צריך לבחור אחת מבין הצלעות בין 1ל ,2אחת מבין הצלעות מ 2ל 3ואחת מבין הצלעות מ 3ל .1מכפלת המספרים הללו תיתן את מספר המעגלים האלו. תזכורת :אם ) τ = (i1 , ..., ikאזי ∏k ) Sgn (π) = i=1 Sgn (τi k+1 ) Sgn (τ ) = (−1ואם π = τ1 · τ2 · ... · τkאז 21 למה 4.12אם π = τ1 · τ2 · ... · τkמכפלת מחזורים זרים ,אזי: ∏ )Sgn (π Mi,π(i) > 0 אם"ם kזוגי )אם זה אינו (0 ובמילים אחרות ־ אם זה אינו 0אז זה קטן מ 0אם"ם kאי־זוגי הוכחה :בדיקה. אם נקבע את xונסמן ב ) G (τ1 , ..., τkאת מספר התת־גרפים הפונקציונלים ביחס ל ,xהמכילים את המחזורים ,τ1 , ..., τkהרי מנוסחת ההכלה וההדחה מספר העצים בהם אנו מתעניינים: G (∅) − G (τ1 ) − G (τ2 ) − ... + G (τ1 , τ2 ) + ... כיוון שזה מספר הגרפים שאינם מכילים אף מחזור )כלומר שום מעגל(. ומכיוון שסימן התמורה הוא בדיוק שלילי כאשר מספר המחזורים הזרים זוגי ־ זה מתלכד עם הביטוי של הדטרמיננטה: ∏ ∑ )Sgn (π )Mi,π(i }π∈Sn\{x 5 זיווגים וזרימות בהנתן גרף דו צדדי )) G = (M, W, Eגברים ,נשים ,הכרויות( מחפשים זיווג ממצה של Wהוא אוסף צלעות זרות )בקודקודים( המכיל את כל קודקודי .W הגדרה 5.1תנאי הול :לכל , W ′ ⊆ Wאם ) Γ (W ′היא קבוצת השכנים של קודקודי ,W ′ אזי |) |W ′ | ≤ |Γ (W ′ משפט ) 5.2הול( בגרף דו צדדי סופי ,קיום תנאי הול )עבור הנשים( הוא תנאי מספיק והכרחי לקיום זיווג ממצה ל .W נראה שהלמה של שפרנר גוררת את משפט הול ־ הוכחה של אהרוני והאקסל. הערה 5.3לגבי שילושים: שילוש הוא היררכי :אם x, yקודקודים בשילוש ,שכנים בשלד החד מימדי שלו ) xו y קודקודים של אותו סימפלקס בשילוש( אזי דורשים ש ) S (x) ⊆ Sp (yאו ).S (y) ⊆ S (x כאשר ) S (zהיא הפאה הקטנה ביותר של הסימפלקס הגדול המכילה את .zלמשל השילוש הבריצנטרי הוא היררכי. חסכוני :אם ) S (zהוא ממימד kאזי ל zיש לכל היותר kשכנים על השפה של הפאה לה הוא שייך. למה אותה לא נוכיח ־ קיים שילוש היררכי חסכוני של של הסימפלקס בכל מימד. 22 הוכחה :יהי Gגרף דו צדדי כנ"ל .לכל קבוצת נשים X ⊆ Wנבחר | |Xצלעות כך שכל צלע היא עם קצה אחד ב ,Xוכך שפוגעים ב | |Xגברים .נסמן את אוסף הצלעות הנ"ל ב ,EX זה אפשרי מתנאי הול .נשים לב שלא דורשים עקביות בין EXו EYכאשר .X ⊆ Y נניח ש | ,k = |Wניקח את הסימפלקס ה k − 1מימדי )שמספר קודקודיו כמספר הנשים( וניקח שילוש היררכי חסכוני שלו. נסמן כל קודקוד בשילוש בצלע לפי 2התנאים הבאים )בוחרים התאמה בין קודקודי הסימפלקס הגדול לנשים(: א .אם ) supp (xנפרש ע"י קבוצת קודקודים שמתאימה ל ,X ⊆ Wאז נסמן את xע"י צלע כלשהי מתוך .EX ב .אם x ∼ yאז נדרוש שהצלעות שבהן נסמן את xו yלא נחתכות בדיוק בגבר אחד. כלומר ־ מותר ששני קודקודים שמתאימים לשתי נשים ־ לעולם לא נתאים להם שתי צלעות אשר שתיהן הולכות לאותו גבר. כיצד יוצרים סימון כזה? אינדוקטיבית: נניח שסימנו כבר קודקודים שהתומך שלהם k − 1מימדי ,אזי בהנתן קודקוד xכך ש )) k = dim (supp (xאז ל xיש לכל היותר kשכנים שכבר סומנו .אבל ניתן לבחור עבורו צלע מקבוצה של k + 1צלעות .לכן יש גבר חופשי בקבוצה זו. אם ,x ∼ yנסמן supp (x) = Xו .supp (y) = Y יש שתי אפשרויות ־ אם Y ⊆ Xאז קבוצת הקודקודים מהסוג הזה מונה לכל היותר k קודקודים ,מכאן שיש ב Exגבר פנוי ־ כלומר צלע פנויה שאפשר להשתמש בה. אם X = Yאז EX = EYואין זוג צלעות שהולכות לאותו גבר ,ולכן אפשר לבחור התאמה כנ"ל. כעת נצבע כל קודקוד לפי האישה שעל הצלע המסמנת אותו ,זוהי צביעת שפרנר ,לכן יש סימפלקס רב צבעי ,כלומר סימפלקס שכל הנשים מופיעות עליו ,והצלעות שסימנו את קודקודי סימפלקס זה מהוות זיווג ,כי כל הקודקודים בסימפלקס הם שכנים ,ולא איפשרנו ששתי שכנות ילכו לאותו גבר בהתאמה שבנינו ,ומכאן שזהו זיווג מושלם. 5.0.1 המקרה האינסופי נסמן ב ) Γ (Xאת קבוצת שכני .X יהי ) G = (W, M, Eגרף דו צדדי כך ש ∞ = | |Wולכל תת קבוצה סופית של נשים ־ מתקיים ||Γ (X)| ≥ |X אזי נאמר שתנאי הול מתקיים לנשים. ברור שתנאי הול הוא תנאי הכרחי לקיום זיווג ממצה ל ,Wנשאלת השאלה האם הוא גם תנאי מספיק? מסתבר שלא. למשל אם שתי הקבוצות הן הטבעיים ,אישה 2מכירה את גבר ,1אישה 3מכירה את גבר 2וכן הלאה ...ואישה מספר 1מכירה את כולם .נובע שאין זיווג כי אישה מספר 1תמיד תגנוב למישהי אחרת את בן הזוג .כלומר דווקא העובדה שיש קודקוד מדרגה אינסופית ־ עשויה להפריע לזיווג. אם נוסיף את התנאי שכל הדרגות של קודקודי Wתהיינה סופיות ,אזי תנאי הול הוא גם מספיק. )לא צריך שיהיה חסם על הדרגות ,מספיק שכל אחת תהיה סופית( 23 המקרה הבן־מניה נוכיח זאת עבור המקרה הבן־מניה. נתחיל בהוכחה שגויה: נסתכל בגרף הסופי הנפרש ע"י האישה הראשונה ־ נמצא זיווג לפי משפט הול. נסתכל בגרף הסופי הנפרש ע"י שתי הנשים הראשונות ־ " נסתכל בגרף הנפרש ע"י kהנשים הראשונות ־ " ... זו כמובן לא הוכחה לטענה המבוקשת אלא רק לכך שלכל תת גרף המושרה מקבוצת נשים סופית ־ יהיה זיווג סופי ,אבל זה טריוויאלי בעצם ,וגם להפעיל את הרעיון הזה על הדוגמה הנגדית שניתנה לעיל עם הטבעיים ,וברור שזה לא יעבוד. נעבור להוכחה נכונה :הוכחה :ממשפט הול למקרה הסופי ניתן לבנות סדרת זיווגים ) M10 , M20 , M30 , ...כמו בהוכחה השגויה ,עבור האישה הראשונה ,שתי הנשים הראשונות וכו'( כאשר Mi0זיווג של iהנשים הראשונות. היות (שהדרגה של w1היא סופית ־ יש גבר שנסמנו m1המופיע ב ∞ מהזיווגים בסדרה ∞) Mn0 n=1בתור בן הזוג של .w1כעת נעבור לתת סדר אינסופית )!( של כל הזיווגים בהם w1משודכת ל .m1ונסמן סדרה זאת ע"י: M11 , M21 , M31 , ... ולכן בזיווג Mi1משודכות לפחות iנשים ו w1משודכת ל .m1היות של w2מספר סופי תמיד m2משודך ל של מכרים ־ נעבור לתת סדרה של הסדרה האינסופית לעיל אשר∞) בה ( w2וכן הלאה ...לאשה wiנשדך את הגבר המשודך לה בסדרה . Mni n=1 וכעת יש לנו אלגוריתם לומר לאישה ה iלמי היא משודכת ,ולכן סיימנו את השידוך. הערה 5.4באמצעות משפט טיכונוף נוכיח את המקרה הכללי .לכל אישה נתבונן בקבוצת הגברים המוכרת לה ,וזאת תהיה טופולוגיה דיסקרטית בה כל קבוצה היא פתוחה וסגורה. נתבונן במכפלה הקרטזית של קבוצות המכרים של כל הנשים .טופ' דיסקרטית על קבוצה סופית היא קומפקטית ולכן ממשפט טיכונוף ־ המכפלה קומפקטית אף היא .נקודה במרחב הזה היא סדרה של גברים ,שכל גבר בקוא' ה iמתאים לאישה ה .iנתבונן בבסיס לטופ' המכפלה ,בה בכל קבוצה יש גבר אחד במס' סופי של קוא' .מקומפקטיות ־ חותכים את כל איברי הבסיס ומקבלים זיווג. )בערך ,לא עקבתי אחרי הכל וזה היה די בריפרוף( 5.1הול ⇐ משפט בירקהוף ־ פון נוימן הגדרה 5.5מטריצה ריבועית תיקרא מטריצת פרמוטציה אם איבריה הם 0ו 1כאשר יש 1בודד בכל עמודה ובכל שורה )כלומר זו תמורה של עמודות מטריצת היחידה( ,וקבוצת מטריצות הפרמוטציה היא הצגה של החבורה הסימטרית. . הגדרה 5.6מטריצה ריבועית תיקרא דו סטוכסטית אם איבריה ממשיים אי־שליליים וסכום מטריצות פרמוטציה הן מטריצות דו־סטוכסטיות( הוא ) .1בפרט כל שורה ועמודה דוגמא נוספת: 1 3 1 3 1 3 1 3 2 3 0 1 3 . 0 2 3 24 מסתבר שאוסף המטריצות הדו־סטוכסטיות הוא קבוצה קמורה ,ולמעשה זהו פאון שפאותיו הן מטריצות הפרמוטציה )וזהו המשפט שנוכיח(. משפט 5.7בירקהוף ־ פון נוימן. הפרמוטציה המטריצות הדו־סטוכסטיות הן הקמור של מטריצות למה 5.8במטריצה דו־סטוכסטית קיים אלכסון מוכלל עליו כל האיברים חיוביים) .קיימת σ ∈ Snכך שלכל 1 ≤ i ≤ nמתקיים )(0 < Mi,σ(i הוכחה :מחפשים זיווג בין השורות לעמודות ,כאשר מותר לזווג שורה iלעמודה jאם .0 < Mi,j בהנתן מטריצה ־ נבנה גרף דו"צ ונראה שתנאי הול מתקיים. נתבונן בקבוצת שורות )=נשים( ונניח בשלילה שמספר העמודות שהשורות הללו מכירות הוא קטן ממספר השורות .בה"כ נניח שאלו השורות הראשונות ושהעמודות שהן מכירות הן העמודות הראשונות ,אזי נקבל kשורות ראשונות שמכירות את mהעמודות הראשונות ,m < kמכאן שב kהשורות הראשונות ,מעבר לעמודה ה mיש רק אפסים ,ומכיוון שהמטריצה דו־סטוכסטית ,הסכום בכל שורה הוא 1ולכן סכום kהשורות הראשונות הוא k ,kולכן הסכום הממוצע בכל עמודה הוא > 1 mולכן יש עמודה שהסכום ב mהשורות הראשונות שלה גדול מ ,1ובפרט סכומה הכולל גדול מ 1בסתירה לדו־סטוכסטיות. זרימה בגרפים 6 6.1 משפט השטף והחתך )(Ford-Fulkerson 56', Min cut-Max ow ) G = (V, Eיש שני קודקודים מיוחסים s = sourceהמקור ,ו t = targetהבור/יעד. תהי Cפונקציית קיבולת ,C : V 2 → R≥0הקיבולת של אי־צלע היא .0 תהי fפונקציית זרימה על הגרף : f :V2 →R ∑ כאשר נסמן ) F (X, Y ) := x∈X,y∈Y f (x, yוכן ) F (x, Y ) := F ({x} , Y פונקציית זרימה חוקית תקיים שלוש אקסיומות: f (x, y) = −f (y, x) .1לכל ) x, y ∈ Vתסומן (F 1 ∈ ) xכלומר מה שנכנס לקודקוד שאינו המקור או הבור ־ F (x, V ) = 0 .2לכל }/ {s, t גם יוצא ממנו ,אקסיומה זו תסומן (F 2 .3לכל x, yמתקיים )) f (x, y) ≥ C (x, yתסומן (F 3 ⨿ } V = |{zונתעניין S נתעניין בחתכי ,s, tכלומר בחלוקת הגרף בדרכים שונות ל S }|{z ∈t ) ( בקיבולת של חתכים שכאלו ,כלומר ב .C S, S נבחין כי הזרימה מוגבלת ע"י הקיבולת המינימלית של חתך כלשהו ,שכן זו מהווה צוואר בקבוק בדרך מ sל .t ∈s ) ( ) ( למה 6.1לכל חתך S, Sחתך s, t־ מתקיים | F S, S = F (s, V ) := |f 25 הוכחהf (x, V ) +f (s, V ) : } {z ∑ s̸=x∈S | = )F (S, V ) − F (S, S } | {z =0 =0 by F 2 ( ) מאקסיומה 3לכל חתך S, Sמתקיים: ( ) ( ) |f | = F S, S ≤ C S, S ולכן ) ( |f | ≤ min C S, S all cuts ( ) משפט 6.2השטף והחתך ־ קיימת זרימה fכך ש |f | = minS C S, S אם כל הקיבולות הן מספרים שלמים ,אזי קיימת זרימה מקסימלית שגם בה כל ערכי הזרימה שלמים .הוכחה :אפשר להוכיח את משפט הול באמצעות משפט השטף והחתך אם בצידו האחד של הגרף נוסיף קודקוד מקור שמזרים בקיבולת 1לכל הנשים .ובצידו השני בור שמקבל בקיבולת 1מכל הגברים .נשים קיבולת 1לכל צלע מאישה לגבר ו 0לצלעות מגברים לנשים. נניח שהגרף מקיים תנאי הול ,ממשפט השטף והחתך המחוזק ־ נראה כי יש זרימה שלמה בעלת ערך ) nשכן החתך ) (s ∪ W, t ∪ Mהוא בקיבולת nמתנאי הול( .זה יגדיר זיווג מושלם. כי אכן(חתך מינימלי הוא בגודל nבגרף זה. נראה ) בהנתן , S, Sניתן להעביר מ Sל Sכל גבר המכיר אשה ב Sמבלי להגדיל את קיבולת החתך ,ולכן יש חתך מינימלי הנראה כך: עבור חתך כזה: ( ) C S, S = n − |X| + |Γ (X)| ≥ n | {z } edges f rom s to W \X ( ) .הוכחה) M CM F :השטף והחתך( ־ תהי fזרימה מקסימלית ,נמצא חתך S, S שקיבולתו | .|f 26 למה יש זרימה מקסימלית? הערך | |fחסום ,אם | v = supf legal f low |fאז יש f1 , f2 , ..., fn , ...כך ש |fn | → vולכן לכל אחת מהצלעות יש תת סדרה שעליה הסדרה הנ"ל מתכנסת .לכן קיימת תת סדרה מתכנסת על כל צלע ־ ניקח את הגבול שלה בכל צלע וזה יגדיר לנו פונקצית זרימה. אחרי שהשתכנענו שאכן קיימת זרימה מקסימלית ־ נבנה את Sבאופן אינדוקטיבי. יהי {s} = S נפעל באלגוריתם הבא: .1אם x ∈ Sו y ∈ Sוהתנאי הבא מתקיים ־ העבר את yל :S ) C (x, y) − f (x, y) > 0כלומר fאינה מנצלת את הצלע במלואה( .2חזור לשלב הקודם ∈ ,tאחרת ־ יש מסלול = s = x1 , x2 , ..., xm−1 , xm ראשית נראה שכאשר מסיימים / S tכך ש xiצורף בגלל xi−1לכל iבסדרה זו. נסמן ) εi = C (xi−1 , xi ) − f (xi−1 , xiוזה גדול מ 0לכל ) iאחרת לא היינו מצרפים את xiל .(S נגדיר ε = mini εiוכעת נוסיף את εלכל אחד מהערכים ) f (xi−1 , xiונקבל פונקצית זרימה חוקית בעלת ערך גדול יותר מ ,fבסתירה למקסימליות. ∈ .t ומכאן / S מההגדרה ־ לכל x ∈)Sו( y ∈ S־ ) f (x, y) = C (x, yשאחרת היינו מוסיפים את y לקבוצה Sולכן | .C S, S = |f נותר להראות שאם הקיבולות הן מספרים שלמים ־ אז יש זרימה שמזרימה מספר שלם צלע .הוכחה :ניקח זרימה התחלתית ) f0 = 0כלומר 0בכל צלע( .ולכל fiנבנה את )בכל ( S, Sכמו בהוכחה הקודמת ואז יש שתי אפשרויות. ∈ tאז סיימנו ומצאנו חתך שערכו שווה לערך הזרימה. אם / S אחרת ־ מוצאים מסילה מ sל tכמו בהוכחה ,ומגדילים את fiלקבלת fi+1כמו בהוכחה ,אלא שכעת εיהיה תמיד מספר שלם ולכן כל הזרימות ,כולל המקסימלית ,תהיינה שלמות. 7קשירות נאמר ש Gהוא 1־קשיר אם הוא קשיר. לכל k > 1נאמר ש Gהוא k־קשיר אם יש בו לפחות k + 1קודקודים ,ולכל k − 1 קודקודים שמסירים ממנו Gנשאר קשיר. ואז ) κ (G־ הקשירות הקודקודית ,ה kהמקסימלי כך ש Gהוא k־קשיר. לכל k > 1נאמר ש )מולטי( גרף Gהוא k־קשיר צלעית ,אם הסרת k + 1צלעות ממנו אינה מונעת ממנו להיות קשיר. )λ (G־ ה kהמקסימלי כך ש Gהינו k־קשיר־צלעית. דוגמאות: n − 1 = λ (Kn ) = κ (Kn ) .1 .2מסילה באורך n > 2מקיימת ) 1 = λ (pn )=κ (pn .3מעגל כאשר n > 3מקיים ) 2 = λ (cn ) = κ (cn .4לא תמיד הם שווים ,קל למצוא דוגמאות. אם נסמן ) δ (Gהדרגה המינימלית ב ,Gהרי מתקיים )κ (G) ≤ λ (G) ≤ δ (G )תרגיל( 27 7.1 משפט מנגר משפט 7.1מנגר )גרסה קודקודית( :יהי גרף Gו s, tקודקודים .אם המספר הקטן ביותר של קודקודים שצריך להסיר מ Gבכדי להפריד את sמ tהוא kאזי ניתן למצוא kמסילות זרות בקודקודים )מלבד sו (tמ sל .t . משפט 7.2מנגר )גרסה צלעית( כנ"ל צלעות. הוכחה :תכנית ההוכחה ־ תרגיל :להראות שמנגר קודקודי ⇐ מנגר צלעי. נוכיח את מנגר קודקודי: א .באינדוקציה על .k ב .מ ) M CM Fהוכחה קלה(. . א .הוכחה באמצעות זרימה: נעבור לגרף מכוון. נחליף כל קודקוד vבשני קודקודים v −ו v +וצלע מכוונת ) ,(v − , v +ונגדיר קיבולת 1 על ) (v − , v +וקיבולת 0על ) .(v + , v − לכל צלע ) (u, vנבנה במקומה ) ,(u+ , v −על צלעות אלו נשים קיבולת אינסופית. יהיו s, tקודקודים מיוחסים ,חתך מינימלי המפריד אותם בגרף החדש ,מתאים לקבוצה מינימלית של קודקודים ,שהסרתם בגרף המקורי מפרידה את sמ .t ממשפט השטף והחתך ־ יש זרימה מקסימלית בגרף החדש שהיא שלמה ,כלומר זרימת } ,{0, 1ואז יש התאמה חח"ע בין מסלולים זרים בקודקודים בגרף המקורי לזרימות שלמות בגרף החדש :כלומר יש kמסילות זרות בקודקודים מ sל tאם"ם יש זרימה בגודל kמ sל .t . ב .הוכחה באינדוקציה על ) kכלומר הנחה בשלילה של קיום של גרף מינימלי שאינו מקיים את המשפט ,מתוך (Bollobas: Modern Graph Theory עבור k = 1המשפט מתקיים ,קל לראות זאת. נניח בשלילה שהמשפט אינו נכון ויהי k ≥ 2המינימלי שעבורו המשפט אינו נכון ו G גרף עם מספר מינימלי של צלעות המהווה דוגמא נגדית עבור .k כלומר יש s, tכך שניתן להפריד את s, tע"י kקודקודים ולא פחות ,אך יש רק k − 1 )או פחות( מסילות זרות מ sל .t תהי wקבוצת קודקודים | k = |wהמפרידה את sמ .t הערה ∗:נבחין כי אין ל sול tשכן משותף ,שכן אם היה שכן משותף ־ היה אפשר להסיר אותו מהגרף ולקבל דוגמה נגדית למשפט ב ,k − 1והנחנו שהדוגמה שבידנו משיגה kמינימלי ,בסתירה. נתבונן בשני מקרים: מקרה :1קיימת wכך שלא sולא tהם שכנים של כל קודקודי w מקרה :2לכל קבוצה מפרידה כנ"ל ,wמתקיים sאו tהם שכנים של כל קודקודי w . מקרה :1נתבונן בגרף המתקבל על ידי הסרת ,wברכיב הקשירות של sיש לפחות עוד קודקוד אחד )ולפחות צלע אחת( נחליף את רכיב הקשירות של sבגרף החדש בקודקוד s′ ונחברו לכל הקודקודים ב .wבגרף זה יש פחות צלעות ולכן אינו דוגמא נגדית ,ויש להסיר לפחות kקודקודים בכדי להפריד את s′מ tולכן יש kמסילות זרות מ s′ל ,tזה נותן k מסילות זרות מ wל .t 28 באופן דומה ,נניח ש tאיננו שכן של כל קודקודי wונקבל kמסילות זרות מ wל ,s תפירת מסילות אלו נותנת kמסילות זרות מ sל .tמדוע? ב wיש בדיוק kקודקודים, כלומר ניתן לזווג את כל המסילות )הזרות בקודקודיהן( שמצאנו מ wל tלמסילות שמצאנו מwלs מקרה :2תהי s, x1 , x2 , ..., xm , tמסילה קצרה ביותר מ sל ,tכעת m ≥ 2שכן ל sול tאין שכנים משותפים )הערה ∗( .נסיר את הצלע } {x1 , x2מהגרף וכעת נשארנו עם גרף שאינו דוגמה נגדית ,כלומר מספר המסילות הזרות הוא כעת מספר הקודקודים הדרוש להפרדה ,איך זה קרה? לא יתכן שמספר המסילות הזרות עלה ,ולכן בהכרח מספר הקודקודים הדרוש להפרדה ירד ,כלומר ניתן להפריד את sו tעל ידי k − 1קודקודים אך לא פחות. תהי w0קבוצה של k − 1קודקודים המפרידה את sמ tבגרף החדש ,ונגדיר = w1 } w0 ∪ {x1ובאופן דומה } .w2 = w0 ∪ {x2נבחין כי w1 , w2מפרידים את sו tבגרף המקורי. x1אינו שכן של tכי הוא שכן של ,sולכן כל קודקודי w0שכנים של sולכן כל קודקודי w0שכנים של ) sהנחת מקרה .( 2 x2לא שכן של sולכן כל קודקודי w0שכנים של ,tבסתירה )זה בסדר כי ,|w0 | ≥ 1 ולא עשינו פה רמאות אינדוקציה ,כמו הוכחת "כל האנשים בעולם הם ג'ינג'ים"(. תרגיל ־ הסיקו את הגרסה הצלעית של מנגר מהגרסה הקודקודית... )הרעיון ־ בונים גרף עזר שבו הצלעות הופכות לקודקודים( 7.2 משפט Tutte )האנלוג של משפט הול לגרף שהוא לא דו צדדי( אפשר לחשוב על זיווג ככיסוי של שני קודקודים ע"י צלע ,ואז בגרף כללי )עם מספר זוגי של קודקודים( ניתן לתהות האם אפשר לכסות עם צלעות זרות )בקודקודיהן( את כל קודקודי הגרף? נסמן לכל W ⊆ Vאת ) =q (Wמספר רכיבי הקשירות בעלי גודל אי זוגי ב .G \ W ברור שתנאי הכרחי לקיום זיווג מושלם הוא שלכל W ⊆ Vיתקיים | .q (W ) ≤ |W משפט 7.3טאט :זהו גם תנאי מספיק הוכחה) :מתוך (Diestel יהי Gגרף ללא זיווג מושלם ,נמצא ) S ⊆ V (Gהמפר את תנאי טאט. נניח ש Gמקסימלי בצלעות ללא זיווג מושלם )ביחס להכלה ,כלומר נוסיף עוד ועוד צלעות עד שנקבל את הגרף השלם או גרף מקסימלי ללא זיווג מושלם( .מדוע זה בסדר? כי אם בגרף החדש ,אחרי הוספת הצלעות ,מצאנו הפרה לתנאי טאט ־ אזי נבחין כי כל רכיב קשירות מגודל אי־זוגי מגלם בתוכו לפחות רכיב קשירות אחד מהגרף הישן ובו מספר אי זוגי של קודקודים )כי סכום אי זוגי משמעו שאחד המחוברים לפחות הוא אי־זוגי גם כן( נגדיר את Sלהיות קבוצת כל הקודקודים המחוברים לכל קודקוד אחר ,ונראה שכל רכיב ב G \ Sהוא גרף שלם. אם המצב הוא שיש Sענן קודקודים המחוברים לכל הקודקודים האחרים ,שהוא גרף שלם ,וגם כל העננים האחרים הם גרפים שלמים ועדיין אין זיווג ־ בהכרח תנאי טאט מופר )מדוע? כי במקרה כזה את כל רכיבי הקשירות מגודל זוגי אפשר לכסות על ידי בחירת גרף דו"צ מתוך הגרף השלם שלהם ,ולכל רכיב מגודל אי זוגי צריך למצוא שכן בענן המרכזי. אם לא מצאנו ,למרות שכל הקודקודים בענן המרכזי שכנים של כולם ,נובע שמספר רכיבי הקשירות האי־זוגיים גדול מהענן המרכזי )סתירה לתנאי טאט( או שמספר הקודקודים בענן 29 המרכזי לאחר הפרוצדורה הוא אי זוגי בעצמו .מכיוון שעד כה חילקנו לזוגות ,מכאן נובע שמספר הקודקודים הבכל הגרף כולו הוא אי־זוגי ,וגרף כזה מפר את תנאי טאט על פי הגדרתנו( נניח בשלילה שיש רכיב ב G \ Sשאיננו גרף שלם ,כלומר יש קודקודים a, a′ברכיב שאינם שכנים. תהי a, b, c, ..., a′מסילה קצרה ביותר בין aו ,a′מכאן שאין צלע }) {a, cאחרת היה אפשר לקצר את המסילה עוד ולדלג על .(b ∈ ,bקיים dשאינו שכן של .b היות ש / S קיים זיווג שלם M1בגרף אם נוסיף לו את הצלע }{a, cממקסימליות הגרף ללא הזיווג. מאותו טעם קיים זיווג שלם M2בגרף עם }.{b, d נתחיל מסילה pמ d, x1 , x2 , x3 , ..., v :dכך ש d, x1 ∈ M1ו x1 , x2 ∈ M2ו x2 , x3 ∈ M1וכן הלאה ,צלעות זוגיות במסילה שייכות ל M2והאי זוגיות ל ,M1נבחין כי בעצם המסילה מוכתבת לנו על ידי יחידות השכנים בזיווגים ,ולכן היא גם מקסימלית ביחס לתכונה זו .לא נעשה שימוש בצלעות שאינן ב ,Gכלומר ב } {a, cוב }.{b, d נלך במסילה עד שניתקע ,ובהכרח ניתקע כי אם נסגור מעגל עם dהרי שמגיעים אל d בצלע ששייכת ל ,M2ושם הוא מזווג ל bוהצלע } {b, dאינה קיימת בגרף שלנו כלל! יש שתי אפשרויות: א p .מסתיימת בצלע מ M1ואז ,v = bכי זו הצלע היחידה שמפריעה לסגור מעגל ב ) M2בזיווג יש רק מעגלים ו/או צלעות כפולות. ב p .מסתיימת בצלע מ M2אז } ,v ∈ {a, cמסיבות דומות נניח בה"כ v = a אפשרות א :ניקח את הזיווג M2בכל המקומות מלבד המעגל הקטוע ,pוב pעצמה ניקח את הצלעות האי־זוגיות ,דהיינו צלעות מ M1וכך הלחמנו את שני הזיווגים כדי לקבל זיווג חוקי בגרף המקורי שאינו עושה שימוש בצלעות החסרות ,בסתירה לכך שאין זיווג בגרף שלנו. אפשרות ב' :נבחין כי הצלע } {b, aאינה ב M1ואינה ב ) M2כי שני הקודקודים הללו מזווגים לאחרים בזיווגים אלו( ,ולכן נוכל לקחת את הזיווג M2בכל המקומות שאינם במעגל הקטוע ,pוב pעצמה להשתמש רק בצלעות האי־זוגיות וב }) {a, bשאינה בזיווג( ומכך יתקבל זיווג מושלם ,גם כן בסתירה לכך שאין זיווג מושלם בגרף שלנו. משפט השטף והחתך גורר את דילוורת' דילוורת' גורר את הול )מופיע בתרגיל( נסביר לשם כך מהו משפט דילוורת': תהי Pקס"ח )קבוצה סדורה חלקית( נגדיר שרשרת להיות סדרה של איברים שמתייחסים כל אחד לקודמוa1 < a2 < ... < , an נגדיר אנטי שרשרת להיות סדרה של איברים שכל שניים אינם ניתנים להשוואה ,כלומר קבוצה שאינה מכילה שרשרת ארוכה מ .1 אם ל Pיש שרשרת בגודל kאזי ברור שלא ניתן לכסות את Pע"י פחות מ kשרשראות זרות. נגדיר אך לא נוכיח את משפט דילוורת' לצרכי התרגיל: משפט ) 7.4דילוורת'( עבור Pקס"ח סופית ־ גודל האנטי שרשרת המקסימלית=מספר הקטן ביותר של שרשראות שצריך כדי לכסות את .P הגדרה A 7.5מונוטונית אם x<y ∧ x∈A⇒y∈A 30 . הגדרה 7.6נאמר ש µ1שולטת סטוכסטית על µ2אם לכל קבוצה מונוטונית ,Aמתקיים ).µ1 (A) ≥ µ2 (A דוגמא לא סופית ,אך ממחישה: נתבונן בקטע ][0, 1 ]כאשר[ ] X ∼ U [0, 1היא המידה µ2 Y ∼ U 21 , 1היא המידה µ1 קבוצה מונוטונית ] (t, 1או ][t, 1 ואז קל לראות ש: ]]P r [x ∈ (t, 1]] ≤ P r [y ∈ (t, 1 ולכן µ1שולטת סטוכסטית על .µ2 באופן[הבא: להסתכל גם אפשר לראות זאת מיידית ואפשר ] U 12 , 1 ∼ y := 1+xואז אם מתבוננים בזוג ),(x, y נבחר זוג x, yכך x ∼ U [0, 1] :ו 2 ההתפלגות השולית של הקוא' הראשונה היא µ2ושל הקוא' השניה .µ1 x ≤ 1+xלכל ] x ∈ [0, 1ואז נאמר שזהו צימוד אבל אז מתקבל x ≤ yתמיד כי 2 מונוטוני של המידות... נגדיר זאת פורמלי: הגדרה 7.7צימוד מונוטוני של שתי מידות הסתברות µ1 , µ2על קס"ח Pהיא התפלגות (x, y) ∈ P 2כך שההתפלגות השולית של yהיא µ1וההתפלגות השולית של xהיא µ2ו x ≤ yתמיד. ברור שצימוד מונוטוני גורר ש ) µ1 ≽ µ2שולט סטוכסטית( כי לכל מאורע מונוטוני A מתקיים: )µ1 (A) = P r (y ∈ A )µ2 (A) = P r (x ∈ A אבל המאורע השני הוא תת קבוצה של המאורע הראשון. תרגיל לבית: שימוש יפה למשפט השטף והחתך הוא שניתן באמצעותו להוכיח שאם µ1 , µ2מידות הסתברות על קס"ח סופית ,אזי µ1שולטת סטוכסטית על µ2אם"ם קיים צימוד מונוטוני בין µ1ל .µ2 קל לראות מההגדרה שאם יש צימוד מונוטוני אז יש שליטה סטוכסטית ,הכיוון השני הוא מעניין. 31 דוגמא הגרף המקרי )G (n, p הגדרה 7.8זהו מרחב הסתברות על גרפים על קבוצת הקודקודים } ,{1, 2, ...nכלומר יש n ) 2( 2נקודות במרחב ,במילים אחרות ־ כל התת גרפים של .Kn לכל צלע } {i, jנגריל באופן בלתי תלוי משתנה מקרי } Xij ∈ {0, 1כך ש Xij = 1 בהסתברות .p ואז צלעות הגרף הן כל הזוגות } {i, jכך ש .Xij = 1 במילים אחרות ־ עוברים על כל הצלעות האפשריות ,בהסתברות pשמים צלע ובהסתברות 1 − pאין עושים זאת בין כל שני קודקודים. }E [G (n, p)] = {{i, j} : Xij = 1 n |) −|E(M ) p|E(M )| (1 − p)( 2 ] = P r [G (n, p) = M אוסף כל התת גרפים של Knהוא קס"ח ביחס להכלה. מה ההסתברות לקבל גרף מישורי? נבחין כי קבוצת הגרפים שאינם מישוריים היא מונוטונית. טענה 7.9 ]P r [G (n, 0, 5) not planar] ≤ P r [G (n, 0.51) not planar . טענה 7.10אם 0 ≤ p ≤ q ≤ 1אז המידה המושרה ע"י )G (n, qשולטת סטוכסטית במידה המושרה ע"י )G (n, p זה בפרט מוכיח את הטענה הקודמת. הוכחה :צימוד מונוטוני ־ לכל } {i, jנגדיר: ]Xij ∼ U [0, 1 }E [G (n, p)] := {{i, j} : Xij ≤ p התפלגות זאת נותנת את ) G (n, pאבל לפי הגדרה זו מקבלים ])E [G (n, p)] ⊆ E [G (n, q אם ,p ≤ qכלומר בניסוח אחר של הגרלת הגרף ־ נקבל הכלה ממש במקרה שהקבוע שבוחרים ) pאו (qגדול יותר. 32 8 גרפים מישוריים הגדרה 8.1גרף יקרא מישורי אם יש לו שיכון במישור בו אין חיתוכים בין הצלעות. עובדה )שנוכיח עוד מעט( K5 :איננו מישורי וכך גם K3,3בציור של גרף מישורי ,מלבד קודקודים וצלעות ,יש גם פאות :פאה היא האיזור התחום ע"י מעגל בציור של גרף מישורי אם בפנים המעגל אין עוד קודקודים .למעשה הגדרה טופולוגית של פאה תהיה טובה יותר, כלומר ־ אם נסיר מהמישור את צלעות הגרף וקודקודיו ־ רכיבי הקשירות הנותרים במישור הם הפאות. לעיתים מתייחסים אל החלק האינסופי של המישור המקיף את הגרף כפאה חיצונית. נסמן ב vאת מספר הקודקודים בגרף ,ב eאת מספר הצלעות ,וב fאת מספר הפאות. האם מספר הפאות תלוית בציור של הגרף במישור? לא. משפט ) 8.2נוסחת אוילר( עבור גרף מישורי קשיר מתקיים v − e + f = 2 הוכחה :באינדוקציה על eעבור v = nקבוע. בסיס האינדוקציה הוא ) e = n − 1שכן אחרת הגרף לא קשיר( ובמקרה כזה זהו עץ, וכיוון שאין בו מעגלים ־ יש בו פאה אחת ולכן f = 1, e = n−1, v = nוהנוסחה מתקיימת. מעבר האינדוקציה ־ אנחנו מניחים ש n ≤ eולכן יש לפחות מעגל אחד ,ולכן יש לפחות פאה אחת חסומה. נסיר צלע מהמעגל התוחם את הפאה החסומה ,והיא תתאחד עם אחת משכנותיה ,ונקבל גרף שבו יש פאה אחת פחות וצלע אחת פחות .כמו כן מקבלים גרף מישורי וקשיר )לא פגענו בקשירות כי הסרנו צלע ממעגל( לפי הנחת האינדוקציה מתקיימת נוסחת אוילר ובגרף המתקבל נסמן את הפרמטרים ב v ′ , e′ , f ′ומתקיים: v ′ = v, e′ = e − 1, f ′ = f − 1 ומהנחת האינדוקציה מתקיים: v ′ − e′ + f ′ = 2 ⇒ v + e + 1 + f − 1 = 2 ומכאן שנוסחת אוילר מתקיימת כנדרש. קשיר (על nקודקודים ו mצלעות ,מתקיים ) ,m ≤ 3 (n − 2בפרט טענה 8.3בגרף מישורי ) ב K5בו מתקיים n = 5ו m = 52וכיוון ש 10 3 · 3ולכן K5לא מישורי. אפשר להוסיף צלעות לגרף כך שישאר מישורי עד שיתקבל שכל פאה תחומה ע"י 3צלעות בדיוק ,ולכן 3f ≤ 2mוממשפט אוילר מתקיים n − m + fכלומר: 2 m ≥2=n−m+f ≤n−m+ m⇒n−2 ⇒ 3 (n − 2) ≥ m 3 3 ב K3,3אין מעגלים באורך אי זוגי )כי הוא 2צביע ,כגרף דו"צ( ובפרט לכל פאה Fמתקיים =PF ≥ 4מספר הצלעות התוחמות את הפאה .F ולכן: 2m ≥ 4f ⇒ 5 ≥ f 33 וממשפט אוילר: 2 = n − m + f = 5 − 10 + f ≤ 0 בסתירה. ניתן לשאול את השאלה ־ אם גרף איננו מישורי ,מה המספר המינימלי של חיתוכים שאפשר לצפות לו )אין מרשים חיתוכים משולשים ,מרובעים וכו'(? עבור גרף Gנסמן ב )Cr (G את מספר החיתוכים המינימלי שניתן להשיג בשיכון Gבמישור. טענה 8.4 )Cr (G) ≥ m − 3n + 6 = m − 3 (n − 2 זה נקרא גם משפט החיתוכים החלש אבחנות: .1בציור של גרף עם מספר מינימלי של חיתוכים צלע אינה חוצה את עצמה. .2צלעות בעלות קודקוד משותף אינן נחתכות. 2 .3צלעות אינן נחתכות פעמיים. כל האבחנות הללו נובעות מאותו רעיון ,שבהנתן נקודת חיתוך ,אפשר להחליף בין שתי הצלעות הנכנסות או היוצאות אליה ,ונקבל משהו ללא נקודת חיתוך ,וזה אפשרי במקרים לעיל .הוכחה) :לטענה( בהנתן ציור של גרף ללא הפגמים הנ"ל עם ) Cr (Gחציות ניצור גרף חדש על ידי הפיכת נקודת החיתוך לקודקודים .בגרף החדש מספר הקודקודים הוא Cr (G) + vומספר הצלעות הוא: )e + 2Cr (G כי כל קודקוד "חדש" מחלק את שתי הצלעות שעוברות דרכו לשני חלקים כ"א ,ולכן מוסיף שתי צלעות למניין. הגרף הזה מישורי ולכן: e + 2Cr (G) ≤ 3 (v + Cr (G) − 2) ⇒ Cr (G) ≥ e − 3r + 6 משפט ) 8.5החיתוכים( אם 4n ≤ mוב Gיש mצלעות ו nקודקודים ,אזי m3 64n2 ≥ )Cr (G 34 הוכחה :נצייר את Gבמישור ,ונבחר תת גרף מקרי על ידי בחירת כל קודקוד באופן בלתי תלוי בהסתברות .pנתבונן בציור של הגרף החדש. יהי Xpמספר החיתוכים בגרף זה ,ו mpמספר הצלעות ו npמספר הקודקודים .וכיוון שתת הגרף מישורי נובע : Xp − mp + 3np ≥ 0 )נזניח את ה 6מהמשפט החלש( נתבונן בתוחלת ונקבל: ] 0 ≤ E [Xp − mp + 3np ] = E [Xp ] − E [mp ] + 3E [np m 3n =Xp4 + mp2 + 3np ⇒ 2 − 3 ≤ X p p ולפי הנחתנו 4n ≤ mולכן ניתן לבחור ≤ 1 4n m = ,pמציבים זאת ומקבלים כי m3 ≤X 64n2 כנדרש. ארדש שאל מה המספר המקסימלי של מרחקי יחידה בין nנקודות במישור. )1+o(1 הוא שיער שהתשובה היא )( 4n 3 מה שידוע הוא שזה לא יותר מ O n טענה 8.6בהנתן nנקודות ו jמעגלי יחידה במישור ,מספר החילות של נקודות על מעגלים 2 2 הוא לכל היותר ,4n + 4n 3 j 3בפרט אם לוקחים nנקודות ואת מעגלי היחידה סביבן, 4 מקבלים חסם של 4n + 4n 3מרחקי יחידה. הוכחה :נצייר גרף שקודקודיו הם הנקודות והצלעות הן בין נקודות סמוכות על אותו מעגל. מכאן שנאפשר צלעות כפולות )אם יש שתי נקודות על מעגל( ולולאות )נקודה אחת על מעגל( זה נותן ציור במישור עם xחציות כאשר ,x ≤ j 2ואז או שמספר החילות קטן מ 4n I3 2 ואחרת אם מספר החילות הוא Iאז 64n2 ≤ x ≤ j כבר ראינו ש K5ו K3,3אינם מישוריים וכך גם כל גרף שיש לו תת גרף שהוא אחד מהם. האם זה המקרה הכללי? כלומר האם כל גרף שאינו מישורי מכיל את אחד מהם כתת גרף? אז מסתבר שלא ,אבל כמעט .הומיאומורף של ציור של גרף Gהוא ציור של גרף ובו מחליפים חלק מהצלעות ב Gבמסילות ,כלומר מוסיפים קודקודים על גבי צלע... משפט 8.7קורטובסקי ־ גרף הוא מישורי אם"ם אינו מכיל הומיאומורף של K5או K3,3 )לא נוכיח זאת( 35 8.1 משפט 4הצבעים צביעה של קודקודי גרף: }σ : V (G) → {1, ..., n כך ש σ (i) ̸= σ (j) ∀i ∼ j ואז נגדיר את ) χ (Gלהיות ה nהמינימלי עבורו קיימת צביעה שכזאת. טענה ) 8.8קלה( אם ∆ הדרגה המקסימלית של ,Gאזי מספר הצביעה של Gהוא לכל היותר .∆ + 1 הוכחה :אינדוקציה ,מסירים קודקוד ,צובעים ,מחזירים אותו ויש לו לכל היותר ∆ צבעים, ולכן אפשר לצבוע אותו בצבע ה .∆ + 1 טענה : 8.9אם הדרגה הממוצעת של Gוכל תת גרף של Gהיא ≥ ∆ אזי )∆ + 1 ≥ χ (G הוכחה :אינדוקציה. ב Gיש קודקוד בעל דרגה ≥ ∆ ,נסיר אותו ,נצבע כמקודם ,נשיב אותו וכו' .היינו חייבים את הדרישה לתתי גרף כדי לקבל שגם אחרי ההסרה משתמרת התכונה שהדרגה הממוצעת קטנה מ ∆. מסקנה 8.10כל גרף מישורי הוא 6־ צביע ,כי ראינו ש ) e ≤ 3 (n − 2ולכן הדרגה הממוצעת 2eוכך גם בכל תת גרף )גם כל תת גרף שלו הוא מישורי(. היא n ≤ 6 גאת'רי שיער ב 1852שכאשר נרצה לצבוע מפה מדינית ,נוכל לעשות זאת ב 4צבעים שונים, ובאופן שקול ־ שכל גרף מישורי הוא 4־ צביע. כעבור 38שנה ,ב 1890־ Heawoodהוכיח את משפט 5הצבעים. ב 1976־ Apple&Hakenהוכיחו את משפט 4הצבעים תוך שימוש במחשב .הם מצאו 1936משפחות של גרפים כך שכל גרף שקול לנציג של אחת המשפחות מבחינת צביעה ,ואחר כך הריצו תוכנת מחשב שבדקה רק את הנציגים. ב 1997ניתנה הוכחה פשוטה יותר ,אולם גם היא באמצעות מחשב. הגדרה 8.11בהנתן גרף Gורשימה של צבעים לכל קודקוד ,צביעה חוקית היא השמה של צבע לכל קודקוד מתוך רשימתו כך שקודקודים שכנים מקבלים צבעים שונים. ) χC (Gהוא ה kהמינימלי כך שבכל אוסף של רשימות באורך kלכל קודקוד ,יש צביעה חוקית. ברור מאליו ש )χC (G) ≥ χ (G במבט ראשון נראה שהמספרים הללו ממש שווים ,נציג גרף שמספר הצביעה שלו הוא 2ומספר הבחירה 3־ זהו ,K3,3אם נבחר לקודקודי צד שמאל את הרשימות }{1, 2} , {2, 3} , {1, 3 ולקודקודי צד ימין את הרשימות } {1, 2} , {2, 3} , {1, 3גם כן ,וקל לוודא שאי אפשר לבחור צבע אחד לכל קודקוד מתוך רשימתו ולקבל צביעה חוקית .מספר הבחירה שלו הוא .3 משפט 8.12 )קרסטן( כל גרף מישורי הוא 5־ בחיר )(choosable 36 הוכחה :ראשית ניתן להניח שכל פאות הגרף למעט החיצונית הן משולשים. נניח: א .זוג קודקודים סמוכים על הפאה החיצונית כבר צבועים ב .לכל קודקוד אחר על הפאה החיצונית יש רשימת צבעים בגודל 3 ג .לכל קודקוד פנימי רשימה באורך 5 אזי ניתן להשלים את הצביעה מהרשימות. נתבונן בשני מקרים: .1יש מיתר שמחבר שני קודקודים על הפאה החיצונית ,ושמשאיר את x, yבאותה המיספירה .במקרה כזה נצבע את החלק העליון לפי הנחת האינדקציה ונקבל בחלק התחתון גרף המתאים גם כן להנחת האינדוקציה ) 2הקודקודים המיוחסים שהצביעה העליונה כופה על התחתונה הם הקודקודים הנמצאים ,כאן בציור אלו aו :(b .2נניח שצבענו את xבצבע αואת yבצבע ,βו vשכן של xשניתן לצבוע ,כי על פי הנחתנו יש ברשימה שלו לפחות שני צבעים שונים מ ,αנסמנם .δ, γמכל קודקוד על המסילה בין xל wנסיר את הצבעים δ, γמרשימתו .הגרף המתקבל על ידי הסרת vוהסרת הצבעים כנ"ל נצבע לפי הנחת האינדוקציה אפילו אם wצבוע ב γאו ,δאז נשאר צבע פנוי וסיימנו. 9 תורת הגרפים האקסטרמלית )קיצונית( משפט 9.1מנטל 1927־ בכל גרף על n ≥ 3קודקודים עם לפחות n2 4 צלעות יש משולש. . משפט 9.2טורן 1941־ עבור n ≥ k ≥ 2בכל גרף עם < גרף שלם על kקודקודים ) .(Kk 37 )2 n k−1 ( )(k−1 2 צלעות יש תת הוכחה :בהנתן גרף Gעם דרגה ממוצעת Jו nקודקודים ללא Kkנסדר את קודקודי G בשורה בסדר אקראי ,ומסדרה זו ננסה לבנות תת גרף שלם כך: ניקח את הקודקוד הראשון ואחר כך ניקח כל קודקוד המקיים שכל אלו שכבר נבחרו הם שכניו ,ברור שהתהליך הזה נותן גרף שלם בגודל כלשהו. קל לראות שאם קודקוד מופיע בסידור האקראי לפני כל אי־שכניו ,הוא יבחר לקליקה שאנו בונים) .תנאי מספיק ,אך לא הכרחי( 1 n−dלהופיע בקליקה. לכן לקודקוד בדרגה dיש סיכוי של לפחות נגדיר לכל קודקוד משתנה מקרי מציין Xvשמקבל 1אם vשייך לקליקה ו 0אחרת. נגדיר: ∑ =X Xv v∈V ו = Xלגודל הקליקה המתקבלת. 1 n − dv ∑ ≥ ] E [Xv ∑ = ]E [X v∈V מאידך הנחנו שבגרף אין קליקה בגודל kולכן תוחלת הקליקה שתתקבל קטנה מ :k E [X] ≤ k − 1 ולכן: 1 ≤k−1 n − dv ∑ v∈V מקושי שוורץ יש: ∑ ( ) 1 · |n − dv ≤ (k − 1) n2 − 2 |E n − dv v ∑ ≤ n2 v מעבירים אגפים ומקבלים את משפט טורן. 10 10.1 שיעור ) 10האמת שהפסדתי שיעור אחד אבל בקטנה( למת הרגולריות של סמרדי נראה את ∆-ramoval-lemmaאם אנחנו εn2רחוקים מלהיות חסרי משולשים ־ אז יש δn3 משולשים. נניח שיש X, Yקבוצות קדקודים ו ) e (X, Yקבוצת הצלעות ביניהן )נניח שהקבוצות זרות(. ונגדיר: |) |e (X, Y ≤1 | |X| · |Y 38 =d (X, Y ) : נאמר ש X, Yזוג ε־רגולרי אם לכל X ′ ⊆ Xו Y ′ ⊆ Yשהם לא קטנים מדי ,כלומר ||X ′ | ≥ ε |Xוגם | ,|Y ′ | ≥ ε |Yאז מתקיים: |) ε ≥ |d (X ′ , Y ′ ) − d (X, Y הרעיון של למת הרגולריות של סמרדי ־ לקחת כל גרף ,לחלק אותו למספר לא גדול של חלקים ,שאחד מהם בתפקיד "פח הזבל" והאחרים הם r־חלוקה של הגרף שנותנת גרף r צדדי. ⨿ ⨿ ⨿ V = V0 V1 ...Vkהיא εרגולרית אם: בהנתן גרף ) G (V, Eנאמר שחלוקה .1 | ε · |V | ≥ |V0 .2 | |V1 | = |V2 | = ... = |Vk .3לכל היותר εn2מהזוגות ) (Vi , Vjאינם εרגולריים. )ההוכחה שנראה היא מתוך (diestel ⨿ ולכל mקיים Mכך שכל גרף עם לפחות משפט 10.1למת הרגולריות של סמרדי :לכל⨿ε > 0 mקודקודים מאפשר חלוקה εרגולרית V = V0 ... Vlכך ש .m ≤ l ≤ M כלומר נצליח לייצר חלוקה εרגולרית מבלי לקבל בהכרח המון חלקים. הוכחה :נבחין כי עבור µi > 0ו ei > 0ו i = 1...lמתקיים )מקושי שוורץ(: ∑ 2 ) ei ∑ ≥ µi µi ( l ∑ e2 i i=1 עבור שתי קבוצות זרות של קודקודים A, Bנגדיר את האינדקס שלהן: |A| · |B| 2 )· d (A, B n2 )e2 (A, B = |A| · |B| · n2 = q (A, B) : אם Aחלוקה של Aו Bחלוקה של Bנגדיר: ∑ ) q (A′ , B ′ A′ ∈A,B ′ ∈B 39 =q (A, B) : אם C1 , ..., Ckקבוצות זרות של קודקודים נגדיר: ∑ ) q (Ci , Cj =q (C1 , ..., Ck ) : i<j אבל אם V0 , V1 , ..., Vkהיא חלוקה של Vכאשר V0פח הזבל .אזי נתייחס אל V0בתור קבוצה של קבוצות } {{v} : v ∈ V0ונגדיר: q (V0 , V1 , ..., Vl ) := q {v1 } , {v2 } , {vj }, V1 , V2 , ..., Vk | {z } {v1 ,v2 ,...,vj }=V0 טענה :אם ρחלוקה של Vאז q (ρ) ≤ 1 הוכחה: | ∑ |Ci | · |Cj = ) q (Ci , Cj ) · d2 (Ci , Cj n2 ∑ = )q (ρ i<j , Ci ,Cj ∈ρ ∑ 2 )| ( |Ci ≤1 ≤ n2 מדוע? כי מהריבוע שבמונה נקבל את כל מכפלות הזוגות ועוד ריבועים של כל מיני | |Ciשרק מגדילים את הסכום .כמו כן dתמיד קטן או שווה ל 1וכך גם ריבועו ולכן ניתן להתעלם ממנו ולכל היותר להגדיל את הביטוי. נמשיך בדרכנו. נראה שעידון של החלוקה מגדיל את האינדקס. למה :אם Cחלוקה של Cו Dחלוקה של Dאזי א. )q (C, D) ≥ q (C, D ב p′ .חלוקה שמעדנת את pאז )q (p′ ) ≥ q (p הוכחה: א. ∑ ) q (Ci , Dj ∑ 2 )) 1 ( e (Ci , Dj ∑ n2 | |Ci | |Dj = )q (C, D Ci ∈C,Dj ∈D ≥ }|{z Cauchy−Schwartz 2 ) 1 ∑ e (Ci , Dj = 2 n | |Ci | · |Dj 2 )1 e (C, D )= q (C, D n2 |C| D 40 = .ב :נסמן p = {C1 , ..., Ck } q (p) = ∑ ≤ |{z} q (Ci , Cj ) i<j .p′ המושרה ע"יCi החלוקה שלei יהי ∑ ∑ q (ei , ej ) = q (p′ ) − q (e′i ) ≤ q (p′ ) previous article i<j i C = :C אזי יש חלוקה של,־רגולריε ( איננוC, D) ונניח שהזוגε > 0 יהי:למה : כך שD = (D1 , D2 ) : D ( וחלוקה שלC1 , C2 ) q (C, D) ≥ q (C, D) + ε4 · |C| · |D| n2 ε |D| < |D1 | כך שD1 ⊆ D וε |C| < |C1 | כך שC1 ⊆ C יש:הוכחה η = d (C1 , D1 ) − d (C, D) |η| > ε η 2 > ε2 di = |Di | ci = |Ci | d := |D| e = e (C, D) c = |C| eij = e (Ci , Dj ) :ואז ∑ e2ij 1 ∑ e2ij 1 e211 = + n2 i,j ci dj n2 c1 d1 i+j>2 ci dj ( ) 2 e211 (e − eij ) 1 ≥ + |{z} n2 c1 d1 cd − c1 d1 q (C, D) = C.S. e11 = c1 d1 e + ηc1 d1 cd η מהגדרת 1 n q (C, D) ≥ c1 d 1 2 ( c1 d1 e + ηc1 d1 cd )2 1 + cd − c1 d1 41 ( cd − c1 d1 e − ηc1 d1 cd )2 עושים את החשבון בפתיחת סוגריים ומקבלים: e2 + 0 · e · η + η 2 c1 d1 cd ≥ ה"גדול/שווה" הוא כי אנחנו מזניחים חלק מהמקדם )החיובי( של ,η 2וזה גודל חיובי. e2 + ε4 · cd cd ≥ ואם נחלק את שני האגפים ב n2נקבל: ε4 cd n2 למה :אם 1 4 q (C, D) ≥ q (C, D) + ≤ 0 ≤ εנניח: } p = {C0 , ..., Ck כך ש: |C0 | ≤ εn ו | |C1 | = ... = |Ck והחלוקה אינה εרגולרית ,אזי יש חלוקה } p′ = {C0′ , ..., Cl′שמעדנת את pו k ≤ l ≤ k·4k כך ש: n 2k ε5 2 |C0′ | ≤ |C0 | + q (p′ ) ≥ q (p) + ומתקיים: | |C1′ | = |C2′ | = ... = |Cl′ הוכחה: לכל זוג 1 ≤ i < j ≤ kנגדיר חלוקה Cijשל Ciוחלוקה Cjiשל Cjכך :אם ) (Ci , Cj זוג ε־רגולרי אז החלוקה טריויאלית ,אחרת נחלק עפ"י הלמה הקודמת כך ש: | C = |C1 | = |C2 | = ... = |Ck ו: ε4 c2 n2 q (Cij , Cji ) ≥ q (Ci , Cj ) + 42 נגדיר לכל 1 ≤ i ≤ kאת ⟩Cלהיות החלוקה המקסימלית המעדנת סימולטנית את כל ה Cijים .ובסך הכל יהיו לכל היותר 2k−1חלקים כלומר: |Ci | ≤ 2k−1 נגדיר חלוקה ) C k ∪ ( ∪ } C = {C0 i=1 ואז: k ≤ |C| ≤ k · 2k ו Cמעדנת את .p מהו האינדקס של החלוקה הזו? ) q (Ci ) + q (C0 ∑ q (C0 , Ci ) + 0<i ∑ ∑ q (Ci , Cj ) + 1≤i ∑ k 2 ε4 c2 + ) q (C0 , Ci ) + q (C0 n2 ε5 2 נגדיר = )q (C 1≤i<j ∑ q (Ci , Cj ) + )2 ≥ q (p) + kc n ∑ ≥ 1≤i<j ( ≥q (p) + ε 5 ⌋ ⌊c d= k 4 ונעדן שרירותית את Cלחתיכות בגודל .dכל קבוצה ב ) Cמלבד פח הזבל (C0תחולק לקבוצות בגודל dואת השאריות נצרף ל C0כדי לקבל את .C0′ זה מגדיר את p′ואז: ε5 2 k · 2k c 4k q (p′ ) ≥ q (C) ≥ q (p) + |C0′ | ≤ |C0 | + |C| · d ≤ |C0 | + kc n ≤ |C0 | + k 2k 2 ≤ |C0 | + ואז: kc ≤ k · 4k d 43 ≤ | |p′ ובזה סיימנו. כעת ניתן להוכיח את למת הרגולריות בהסתמך על הטענות שהוכחו לעיל. הוכחת הלמה נתון 0 ≤ ε ≤ 14ו 1 ≤ n נגדיר: 2 ε5 =s : נייצר )בדרך כלל( חלוקה התחלתית שרירותית עם k0חלקים ,ונרצה שסך כל התוספות s · 2nk0 ≤ εnוכן ש .m ≤ k0 לפח הזבל יהיו 2 |C0 | < εn |Cואז | ≤ k ש כך דיו נרצה nגדול 0 0 2 מהו ?Mנגדיר f (x) : x → x · 4xו ) M = f ◦ f ◦ ... ◦ f (k0בהנתן גרף על m ≤ n | {z } s times קודקודים אם n ≤ mנחלק לסינגלטונים ,אם m < nנחלק באופן שרירותי ל k0קבוצות שוות מהבחירה שלנו נובע ש ) C0פח הזבל ־ השארית אחרי שמחלקים לקבוצות שוות בגדלן(, εnומעדנים שוב ושוב .וכיוון שאחרי sצעדים נגיע לאינדקס ) 1עפ"י גדלו הוא לכל היותר 2 הלמות( נובע שמתישהו בתהליך נקבל חלוקה שהיא εרגולרית. 10.2 שימושים ללמת הרגולריות משפט 10.2לכל εקיים δכך שאם nגדול דיו ו Gגרף על nקודקודים בו הסרת פחות מ εn2משאירה משולש ,אזי Gמכיל יותר מ δn3משולשים. למה ) 10.3תרגיל( אם | m = |X| = |Y | = |Zוכל שלושת הזוגות ε־רגולרים עם צפיפות 3 ≤ dאזי הגרף הנפרש עליהם מכיל ≤ (1 − ε) (d − ε) m3משולשים. הוכחה) :המשפט( בהנתן εנפעיל את למת הרגולריות עם פרמטרים ε′ו mונקבל חלוקה ε′רגולרית לכל גרף על יותר מ mקודקודים בחלוקה: ⨿ ⨿ ⨿ V = V0 V1 ... Vl כך ש .l < M נזרוק צלעות מ .V0לכל היותר .ε′ n2 נזרוק צלעות פנימיות ,יש lקבוצות בחלוקה ,ובכל קבוצה יש nlקודקודים ,ולכן פחות מ ( )2 2 l · nlצלעות בסך הכל ,וזה קטן מ . nm ′ 2 2 נזרוק צלעות מזוגות לא רגולריים ,וזה קטן מ ε′ n2 = ε ll2n נזרוק צלעות בין זוגות עם צפיפות קטנה מ ,2ε′וכאלה בוודאי יש פחות מ 2ε′ n2צלעות. סה"כ: ) ( 1 n2 · 4ε + m 1 ε ε mולכן סילקנו לכל היותר 12 · εn2צלעות ,ואם הגרף בו התחלנו = 10 ε′ = 10ו נבחר מקיים את ההנחה ,עדיין נותרו בו משולשים שאינם מוכלים בפח הזבל ,בזוגות לא רגולריים, 44 בצלעות פנימיות או זוגות דלילים .ולכן זהו משולש בין Vi , Vj , Vkכאשר כל אחד מהזוגות n n ′ בשלישיה הוא εרגולרי עם צפיפות ≤ 2εוגודל כל קבוצה ≤ )M (ε) = M (ε′ ,m ( n )3 לפי התרגיל בשלשה כזו יש לפחות m · (1 − ε′ ) ε′3ולכן יש לפחות (1 − ε′ ) ε′3 3 | M } {z · n3 =δ משולשים. 11 שיעור 11 טוראן( לכל r, s, γקיים n0כך שאם Gגרף על משפט 11.1ארדש סטון )חיזוק למשפט ( ) s−2 1 2 n > n0קודקודים עם s−1 · 2 + γ nצלעות ,אז Gמכיל ) Kr, r, r, ..., rזהו גרף } | {z s s־צדדי שלם עם rקודקודים בכל צד(. למה 11.2לכל r, sוצפיפות dקיימים εו Nכך שאם יש sקבוצות בגודל Nכך שכל זוג מהן הוא ε־רגולרי עם צפיפות לפחות ,dאזי יש עותק של Kr, r, r, ..., r } | {z s אבחנה :אם X, Yקבוצות קודקודים כך שהגרף ביניהן εרגולרי עם צפיפות ,dו Y ′ ⊆ Y כך ש | ε |Y | ≤ |Y ′אז לרוב הקודקודים ב ) Xכולם למעט אולי | (ε |Xיש הרבה שכנים ב ) Y ′לפחות | .((d − ε) |Y ′הוכחה) :הלמה( נסמן את הקבוצות X1 , ..., XSוגדלן .Nנבחר v11כך ש )( 1 }∀2 ≤ i ≤ n : |{z N | v1 ∩ Xi > (d − ε) |Xi N eighbours כמה קודקודים ב X1פסולי למשרה זו? לכל היותר εs |X1 | = εs · N נבחר v21כך ש ) ( ) ( 2 | ∀2 ≤ i ≤ n : N v21 ∩ N v11 ∩ Xi ≥ (d − ε) |Xi כמקודם יש רק לכל היותר εsNפסולי למשרה זו. נמשיך כך ,בשלב ה j = 1...rבוחרים את vj1כך ש: ) ( ) ( ) ( 1 j ∀2 ≤ i ≤ n : N vj1 ∩ N v11 ∩ ... ∩ N vj−1 | ∩ Xi ≥ (d − ε) |Xi כך נמשיך ו את v12נבחר כך ש: r ∩ ) ( 2 )( 1 r+1 ∩ ∀3 ≤ i ≤ n : N v1 )N vj ∩ Xi ≥ (d − ε | |Xi j=1 45 ) ( ∩r וכמובן v12 ∈ j=1 N vj1 ∩ X2 יש 2דרישות בכדי שנוכל להמשיך ולבנות עד הסוף צריך שהקבוצה שלנו תמיד תהיה גדולה מ ) εכדי שנוכל להשתמש ב εרגולריות( : drs >ε 2 ≥ − εrs r·s )(d − ε זה קובע תנאי על .ε drs >r 2 ·N זה קובע תנאי על .N ) הוכחה) (:ארדש סטון( נתונים r, sוגרף Gעל ) nגדול מאד( קודקודים ,עם . s−2 γ + s−1 n2צלעות. נפעיל את למת הרגולריות של סמרדי )(SZ.R.L עם פרמטרים ε, mשיבחרו בהמשך. נסיר צלעות לזבל .εn2 נסיר זוגות לא רגולריים .εn2 2 נסיר צלעות פנימיות . nm γ 2 γ נסיר גם צלעות בזוגות בעלי צפיפות > ) 3זה לכל היותר .( 3 n נבחר εכך שאם nגדול דיו ו | |X1 | = ... = |Xsהן קבוצות כך שכל זוג הוא εעם צפיפות , γ3אזי יש עותק של .Kr, r, r, ..., r } | {z s γ 3 1 > 2ε + m )הפעלת הלמה( וגם γ 1 10עוד תנאי על .ε =m אם בחרנו m, εומלמת הרגולריות נקבל Mוחלוקה εרגולרית: ⨿ ⨿ ⨿ V (G) = V0 V1 ... Vl כך ש .m ≤ l ≤ M אם ) N < n(1−εהדרוש להפעלת הלמה עם γ, r, sאזי מצבנו טוב בתנאי שנמצא M γ . צפיפות עם εרגולריים הם מהם שניים שכל כך V , i 1 ..., Vis 3 ( ) · 2 2γצלעות ,.לכן נשארנו עם לפחות ֵ n2 לפי חשבוננו הסרנו עד כה לכל היותר 3 n צלעות. נתבונן בגרף שקודקודיו הם קבוצות החלוקה וצלעותיו הן זוג ε־רגולרי עם צפיפות לפחות . γ3מחפשים .Ks ( יש לנו lקודקודים) s−2 1 טענה :יותר מ s−1 · 2 l2צלעות ולכן ממשפט טוראן יש Ks ( ) ( ) s−2 1 1 2 2 s−2צלעות n היותר לכל ותרמו זוגות · · s−1 2 הוכחת הטענה :אם יש s−1 2 l בגרף המקורי. s−2 s−1 12 1 2 + γ 3 תורת רמזי משפט ) 12.1קלייטמן( בכל קבוצה של שלושה אנשים נורמליים ,יש לפחות שניים מאותו מין. 46 הוכחה :תרגיל קשה במיוחד. משפט 12.2רמזי )גרסה קלה יחסית( לכל 1 ≤ k, lקיים nכך שאם צובעים את צלעות Kn באדום ובכחול ,אזי מובטח לנו Kkאדום או Klכחול. ה nהמינימלי המקיים זאת נקרא )R (k, l 12.0.1 כמה הערות R (k, l) = R (l, k) .1 )R (k, 1) = 1 .2גרף מלא על קודקוד אחד הוא ללא צלעות( ) R (k, 2) = k .3גרף על 2קוד' הוא צלע ,ולכן או שיש צלע אדומה או שהגרף מלא כחול( R (3, 3) = 6 .4 R (4, 4) = 17 .5 ) 43 ≤ R (5, 5) ≤ 49 .6לא יודעים ,יש יותר מדי אפשרויות בשביל לבדוק בכוח( ) 102 ≤ R (6, 6) ≤ 165 .7על אחת כמה וכמה( באופן עקרוני הערך של ) R (6, 6הוא לא כל כך מעניין ,אבל מעניינת ההתנהגות האסימפטוטית של ).R (n, n נראה כי לכל n ≥ 4מתקיים: √ 1 2 ≤ lim R (n, n) n ≤ 4 וכלל לא ברור אם הגבול קיים. טענה 12.3 ( ) l+k−2 ≤ )R (l, k ∞< l−1 מסקנה 12.4 ( ) 2n − n 4n ≤ )R (n, n √ ·∼c n−1 n למה 12.5 )R (l, k) ≤ R (l, k − 1) + R (l − 1, k 47 הוכחה) :הטענה( בהנתן הלמה הטענה נובעת בקלות מאינדוקציה על .l + k מתחילים ממקרה בסיס) l + k( = 2וכעת נוכיח עבור n = l + kואז מה"א מתקיים ( ) R (l − 1, k) ≤ l+k−3ומזהות פסקל מתקבל המבוקש. R (l, k − 1) ≤ l+k−3ו l−2 l−1 הערה :נסמן את הקוא' הראשונה במספר רמזי כמונה את הקליקה הכחולה )והשניה את האדומה( .הוכחה) :הלמה( נניח ) n = R (l, k − 1) + R (l − 1, kנתבונן בצביעה של צלעות ,Knנתבונן בשכנים של } | {z } | {z B A קודקוד .vבה"כ יש לו Aשכנים שהצלעות אליהם צבועות אדום .לפי הגדרת ),R (l, k − 1 הצביעה של הצלעות בתוך קבוצת שכנים זו מכילה Klכחול )ואז גמרנו( או Kk−1אדום, שיחד עם הצלעות המחברות אותו ל vנותן Kkאדום וגם אז סיימנו. המקרה של Bשכנים שהצלעות אליהם צבועות בכחול ־ נפתר באופן דומה. r־יות( משפט ) 12.6רמזי ,עדיין לא הכי כללי( לכל k, l, rקיים nכך שאם צובעים את כל ה ) k של המספרים } {1, ..., nבאדום או בכחול, בהכרח ניתן למצוא kמספרים כך שכל ה r )(l r־יות צבועות אדום או lמספרים כך שכל ה rצבועות כחול. הוכחה :נסמן את nמהמשפט ב ).Rr (k, l הוכחה באינדוקציה: R1 (k, l) = k + l − 1 טענהRr (k, l) ≤ Rr−1 (Rr (k − 1, l) , Rr (k, l − 1)) + 1 : | {z } C הוכחה :זו בדיוק אותה הוכחה כמו קודם .נניח שיש Cקודקודים ,נקבע אחד מהם ונתבונן בכל ה r־יות שמכילה אותה .אם נשמיט אותה ,נקבל מערכת של )(r − 1־יות. מהנחת האינדוקציה או שנמצא אוסף של ) Rr (k − 1, lשל )(r − 1־יות שצבועות ב אדום או אוסף בגודל ) Rr (k, l − 1שצבוע בכחול... ]אולי כדאי להשלים את זה פעם כי לא הבנתי את זה עד הסוף[ 12.1 המשך תורת רמזי Happy Ending Theorem 12.1.1 שאלה שהציבה אסתר קליין לארדש וסקרש והם הוכיחו אותו. קליין אמרה שאם מציבים 5נקודות במישור ,מובטח שאפשר לבנות מארבע מהן מרובע קמור. שאלת קליין :האם לכל k > 4קיים ) n (kכך שאם מניחים nנקודות במישור ,אף 3 אינן על ישר ,מובטח kנקודות במצב קמור? )לא קשה לראות ש [n (4) = 5 הערה k 12.7נקודות הן במצב קמור אם"ם כל ארבע מהן במצב קמור. משפט n (k) ≤ R4 (5, k) 12.8 48 הוכחה :בהנתן ) R4 (5, kנקודות במישור בלי 3על ישר ,נצבע את הרביעיות :קמורות בירוק וקעורות בצהוב .או שיש 5נקודות כך שכל הרביעיות צהובות ,כלומר קעורות) ,אבל זה סותר את האבחנה הראשונית של קליין ,שכן מבין 5נקודות יש רביעיה קמורה( ולכן יש k נקודות כך שכל ארבע מהן נמצאות במצב קמור. .הוכחה) :של טרסי( ש )n (k) ≤ R3 (k, k בהנתן מספר כזה של נקודות במישור ללא 3על ישר אחד ,נמספר שרירותית את הנקודות ,ולכל שלשה ) 1 ≤ i < j < k ≤ R3 (k, kנצבע בטורקיז אם המשולש i, j, k מכוון עם כיוון השעון ובאוף־ווייט אם המשולש i, j, kהוא נגד כיוון השעון .לפי משפט רמזי קיימת k־יה עבורה כל השלשות באותה אוריינטציה. מכאן שה k־יה הזו קמורה .מדוע? כיוון שרביעיה במצב קעור ־ לא ניתן לכוון את כל 4המשולשים בה באותה אוריינטציה. 12.2 חסם תחתון למספרי רמזי הצליחו להדק את ) R (3, kואת ) R (4, kל ) R (5, kזה עוד פתוח. k טענה ) 12.9ארדש (1943 ,אם )· 21−(2 )(n k > 1אז )n < R (k, k k מסקנה 12.10עבור 3 ≤ kמתקיים )2⌊ 2 ⌋ ≤ R (k, k )(n) 1−(k 1+ k k 2 ·nk 2 < 2 ⌋ n = 2⌊ 2אז < 1 k2 k 2 2 n!·2 הוכחה) :אחד השימושים הראשונים בשיטה ההסתברותית( נצבע כל צלע על פי הטלת מטבע הוגן. ) ( מאורע "רע" הוא צביעה של k־יה רק באדום או רק בכחול .כלומר יש 2 · nkמאורעות k רעים סך הכל ,וההסתברות לכל אחד מהם היא ) 2−(2ומחסם האיחוד ההסתברות למאורע רע כלשהו היא קטנה מסכום ההסתברויות שהוא: ) ( k n ·2 · 2−(2) < 1 k ולכן קיים מאורע שאינו רע ,ובפרט יש צביעה ללא k־יה מונוכרומאטית ובלבד שיתקיים אי השוויון הנ"ל ,וזו ההנחה בטענה. נגדיר ) R (Hכאשר Hגרף קבוע ,יסמן את ה nהמינימלי כך שבכל צביע של Knב 2 צבעים ־ יש עותק מונוכרומטי של .H √ k לכן ) R (k, k) = R (Kkוראינו שזה גדול מ . 2 מסתבר שמה שגורם לחסם להיות מעריכי הוא לא העובדה שיש kקודקודים ,אלא שזו גם הדרגה של כל קודקוד ,כלומר: משפט 12.11לכל ∆ קיים cכך שאם Hגרף עם דרגה מקסימלית ∆ אזי ≤ )R (H |).c · |V (H למה ) 12.12שכבר הוכחנו( בגרף שמחולק לקבוצות ,שכל ε 2־רגולריות עם צפיפות ≤ ,d rs s·r וגודל כל קבוצה ,Nניתן למצוא Kr, r, ..., rכאשר (d − ε) − s · r · ε > d2ו .N > r · d } | {z s 49 נפעיל עם ,d = 12נשתמש בחיזוק של הלמה :מספיק ש ) N > r · d−(∆+1בשביל למצוא גרף sצדדי עם דרגה מקסימלית ∆ .הוכחה) :המשפט( נגדיר )m := R (∆ + 1, ∆ + 1 ונשים לב שאם הדרגה המקסימלית של Hהיא ∆ אז Hהוא ∆ + 1צביע )=צדדי(. ולכן ,H ⊆ Kr, r, r, ..., rלמשל נוכל לקחת |).r = |V (H } | {z s נוכל להשתמש בלמה כדי למצוא עותק של Hבתוך ∆ + 1קבוצות שכל זוג מהן הוא ε רגולרי עם צפיפות ≤ 12בתנאי ש εקטן דיו. בפרט εצריך לקיים ש: ))r·(∆+1 )1 r(∆+1 2 > − (∆ + 1) rε 1 −ε 2 ( וגם אם גודל הקבוצות הוא Nאז נדרוש: N > r · 2∆+1 נדרוש εגם קטן מספיק כך ש: 1 1 1 1 − ≤ − m−1 m m−1 l < 2ε לכל .m ≤ l נפעיל את ) SZRLלמת הרגולריות( עם פרמטרים .m, ε מקבלים Mכך ש m ≤ l ≤ Mחלקים. )n(1−ε רוצים ש > N > r · 2∆+1 M M }· 2∆+1 |{z r 1−ε >n |)=|V (H מתוך lהזוגות לכל היותר εl2אינם ε־רגולרים ולכן נותרו ( ) ( ) ) ( 1 1 1 l 1 1− − εl2 = l2 1 − − 2ε > l2 2 2 e 2 m−1 וממשפט טוראן יש mקבוצות כך שכל זוג הוא ε־רגולרי. בהנתן גרף )אדום( ומשלימו )כחול( על nקודקודים ־ נצבע את הזוגות הנ"ל באדום או בכחול לפי צפיפות ≤ . 12ממשפט רמזי ומהגדרת mיש ∆ + 1קבוצות שכל זוג הוא ε־רגולרי וכולם עם צפיפות )בה"כ אדומה( ≤ . 21מבחירת nהן גם גדולות מספיק בכדי להבטיח עותק של .H 50 גרפים מקריים 13 נניח שאנו מחפשים גרף על nקודקודים ללא קליקה או קבוצה בת"ל בגודל k = 2 log2 n √ k )כך (n = 2ראינו שגרף מקרי יעבוד בהסתברות חיובית :כל צלע באופן בלתי תלוי שייכת לגרף בהסתברות .2 )(1024) 1−(20 2 אם n = 1024ו k = 20אז גרף מקרי יכשל בהסתברות שהיא קטנה מה 20 2 11 וזה קטן מ ! 220שקטן מ .10−16 √ הבניה המפורשת הטובה ביותר נותנת .k = e log n משפט ) 13.1ארדש( :לכל k, lקיים גרף ללא מעגלים באורך ≥ lעם מספר צביעה ≤ .k |) |V (Gקודקודים יש צלע ,וזה ימנע קבוצות בלתי תלויות אפשר לדאוג כך שבכל קבוצה של k גדולות ,אבל אז אולי נקבל מעגל ...הוכחה :נבחר מספר כלשהו 0 < θ < 1lונבחר גרף מקרי )) G (n, pכלומר בוחרים צלע בהסתברות (pכאשר p = nθ−1 X־ משתנה מקרי של מספר המעגלים באורך ≥ lבגרף שנוצר. ∑ ] ∑[ E [X] = E = Xi ] E [Xi ]E [Xi ] = P r [Xi = 1 כאשר ה Xiהם משתנים מקריים המתאימים למעגלים באורך ) l ≥ iמשתנה מציין שונה לכל אורך מעגל אפשרי(. ואז: )= o (n l ∑ nθi 2i ≤ · pi l ∑ )n (n − 1) ... (n − i + 1 2i i=3 i=3 )אנחנו מחלקים ב 2iכי אחרת סופרים את אותו המעגל עבור כל מעגל מכוון שאפשר לבנות עליו ועבור כל קודקוד התחלה בנפרד(... מאי שוויון מרקוב ,כיוון ש Xאי שלילי מתקיים: 1 λ ≤ ]]P r [X ≥ λE [X ולכן: [ ]n > Pr X )= o (1 2 בהסתברות ששואפת ל 1יש פחות מ נגדיר: n 2 מעגלים באורך ≤ .l 3 ln n p 51 =α )נזכיר כי (p = nθ−1 = Yמשתנה מקרי המונה את מספר הקבוצות הבלתי תלויות בגודל ) αנניח αשלם(: ) ( ( )α α α−1 n 1 (1 − p)( 2 ) < n · e−p 2 = ] E [Y )= √ = o (1 α n בפרט ,ההסתברות ש Y ≥ 1היא ) o (1גם כן לפי א"ש מרקוב. ניקח nכך שבהסתברות < 12יתקיים X < n2ובהסתברות < 12יתקיים Y = 0ונקבל שבהסתברות חיובית ־ שניהם מתרחשים סימולטנית .כלומר ־ יש גרף על nקודקודים ללא קבוצה בת"ל בגודל 3 ln n · n1−θעם פחות מ n2מעגלים באורך ≥ .l נסלק קודקוד אחד מכל מעגל קצר ,ונקבל גרף עם לפחות n2קודקודים ללא מעגלים באורך ≥ lוללא קבוצה בלתי תלויה בגודל .3n1−θ ln n עובדה שהשתמשנו בה בהוכחה :אם Yמ"מ אי שלילי ,אז ] P r (Y > 0) < E [Y מדוע? כי התוחלת של ) Yמ"מ טבעי( היא P r (Y = 1) · 1 + P r (Y = 2) · 2 + ...ולכן אם מוחקים את כל המספרים שמחוץ להסתברות מקבלים אתP r (Y = 1) + P r (Y = 2) ... וזו ההסתברות ל Yחיובי ,אולם רק הגדלנו את הביטוי. האם תוחלת גדולה משמעה שיש סיכוי גבוה ש Yחיובי? התשובה היא שלא. לדוגמא: =Yמספר ההרוגים במלחמת עולם בעשור הקרוב ,למשל אם נעריך את ההסתברות 1 100000אבל את מספר ההרוגים הצפוי בכמה מיליארדים ,אז נקבל שתוחלת למלחמה ב מספר ההרוגים היא כמה אלפים ,אבל ההסתברות שהמשתנה יהיה לא אפס קטנה מאד. לכן מועיל להתבונן גם בשונות של המשתנה המקרי. הגדרה 13.2אם Xמשתנה מקרי אז השונות של Xמוגדרת להיות: [ ] ] [ 2 ]V ar (X) = E (X − E [X]) = E X 2 − E2 [X √ וסטיית התקן היא )V ar (x ∑ = Xאז: אם Xi = ...σ ] ) ∑([ ) ∑( 2 E Xi − E2 Xi ] [ (∑ ∑ ) = E Xi2 − E2 [Xi ] + )] (E [Xi Xj ] − E [Xi ] E [Xj {z } | i i,j = )V ar (X ] Cov[Xi ,Xj ואם Xi , Xjבלתי תלויים אז Cov (Xi , Xj ) = 0 מסקנה 13.3מאי שוויון צ'ביצ'ב ידוע לנו: ) 1 2 P r (|X − E [X]| > λσ) = P r (X − E [X]) > X 2 V ar (X) < 2 λ ( 52 בפרט: ( ) ]E [X σ2 )V ar (X ·σ ≤ 2 = σ ]E [X ]E2 [X ( ) ובפרט אם ]V ar (X) = o E2 [Xאז בהסתברות ששואפת ל 1מתקיים 0 < Xולמעשה בהסתברות ששואפת ל 1מתקיים אף ש: ≥ |]P r (X ≤ 0) ≤ P r (|X − E [X]| ≥ E [X]) = P r |X − E [X ](1 − ε) E [X] ≤ X ≤ (1 + ε) E [X לכל .ε שימוש במסקנה מא"ש צ'בישב מספר המשולשים ב ):G (n, p הגדרה 13.4בהנתן תכונה Aשל גרפים אז ) p∗ = p∗ (nתקרא פונקציית סף עבור Aאם p = o (p∗ ) ⇒ P r [G (n, p) ∈ A] → 0ומאידך: p∗ = o (p) ⇒ P r [G (n, p) ∈ A] → 1 מהי תכונה של גרפים? בעצם אפשר לחלק את הגרפים לאלו שיש להם את התכונה ולאלו שאין להם ולכן זה שם אחר למשפחה של גרפים. הגדרה 13.5תכונה מונוטונית :נשמרת תחת הוספת צלעות )לדוגמא ־ הכלת משולש ,קשירות, אי מישוריות ,מספר צביעה (17 נניח שלגרף הריק אין את התכונה ולגרף המלא יש את התכונה ,ואז הפונקציה ]P r [G (n, p) ∈ A היא פונקציה עולה מ 0ל ) 1כפונקציה של .(p ∑ = ) Xסכום של משתנים מציינים כעת אם Xמספר המשולשים ב ) G (n, pכך ש Xi למשולשים השונים( אז: ( ) ∑ n n3 p3 = ]E [X = ] E [Xi ∼ · p3 3 6 רואים שאם c n 1 n ∼ pאז c3 6 ∼ )E [X] = Θ (1 טענה 13.6 ) ( 3 3 הוכחה p = o n1 :אז ) E [X] ∼ p 6n = o (1ולכן ).P r [X > 0] = o (1 )) ω (n) → ∞ ,p = ω(nכלומר המנה של pו צריך לראות מה קורה כאשר n לאינסוף( = pמהווה פונקציית סף עבור קיום משולש ) ( מה השונות? V ar = o E2 ω3 ∞→ 6 ∼ ]E [X 53 1 n שואפת ∑ ) ∑ = Xi V ar (Xi ) + ) Cov (Xi , Xj i̸=j ∑( V ar (X) = V ar ) ( ]n [ 2 ∑ 2 ) Cov (Xi , Xj E Xi − E [Xi ] + 3 } | {z } | {z i̸=j p6 = p3 ) ( n ≤E [X] + Cov (Xi , Xj ) ≤ E [X] + )] (E [Xi Xj ] − E [Xi ] E [Xj 3 i̸=j ) ( n 5 ≤E [X] + p 3n 3 ( ) )3ω (n ]→ E [X] = o E2 [X =E [X] + E [X] · 3np2 = E [X] + n ( ) )ω(n G n, nאזי ולכן לכל εאם ∞ → ) ,ω (nו Xמספר המשולשים ב ∑ P r [X ∈ [(1 − ε) E [X] , (1 + ε) E [X]]] →n→∞ 1 . הופעת רכיב ענק בגרף מקרי )ארדש ורני(1960 , טענה ) 13.7שלא נוכיח( −c′ np ′ ∀c ∃c : P r [|B (n, p) − np| > cnp] < e )כאשר ) B (n, pמ"מ בינומי( נסמן ב ) P (λאת המשתנה הפואסוני עם פרמטר ,λואז בגבול ) B (n, p) ∼ P (λכי: k −λ λ !k e = ] P r [P (λ) = kואז nk pk } | {z ) ( k n k n−k k )p (1 − p ∼ ∼λ e|−np )(1 − p k } k! {z ∼e−λ ולכן בגבול )עבור kקבוע( זה מתנהג אותו הדבר. התוחלת של משתנה פואסוני היא כזכור .λ טענה ) 13.8שלא נוכיח( λ )∀ε ∃δ > 0 : P r [|P (λ) − λ| > ελ] < (1 − δ 54 תהליך הסתעפות )גלטון־ווסטון( google books הדיון הבא לקוח מספרם של ספנסר ואלון השיטה ההסתברותית )יש ב בסביבות עמוד .(161 שני סוציולוגים שחקרו מה ההסתברות ששם משפחה כלשהו יכחד? כלומר ניקח את מר סמית ,נבין כמה בנים יש לנו וכמה בנים יש להם וכו' ...הם הגיעו לתשובה לא נכונה ,אבל התהליך בכל זאת נקרא על שמם. נניח שיש לנו בקטריה שבהסתברות 21היא מתה ובהסתברות שווה היא מתפצלת ל .2 מהי ההסתברות שמושבת הבקטריות תיכחד? )נסמן זאת ב (p ][ 2 p }|{z 1 2 + both of f springs die 1 2 }|{z =p f irst one dies ואז: p2 − 2p + 1 = 0 ⇒ p = 1 2 3 ולהתפצלות 1 3 אז היינו מקבלים → p = 23 + 13 p2 אם היינו בוחרים את ההסתברות למוות p = 1, 2 אם היינו בוחרים את ההסתברות באופן סימטרי היינו מקבלים: 1 2 2 1 + p ⇒ p = 1, 3 3 2 =p אז מהי התשובה הנכונה כאן? 1או ? 12 טענה 13.9יהי Zמ"מ טבעי ונסתכל בתהליך גלטון ווטסון בו מספר הצאצים מתפלג Zאזי התהליך יכחד בהסתברות 1אם"ם ] 1 ≥ E [Zואחרת ימשך לנצח בהסתברות חיובית ויכחד בהסתברות קטנה מ .1 הוכחה :נגדיר פונקציה יוצרת של :Z pi xi ∞ ∑ = )P (x i=0 באשר ]pi = P r [Z = i נבחין כי )=P (0ההסתברות להיכחדות מיידית )) 1 =P (1סיכום כל ההסתברויות(... ) 0 ≤ P ′ (xעבור 0 ≤ xולכן Pפונקציה עולה ,וכך גם עבור הנגזרת השניה ,לכן הפונקציה קמורה. כמו כן )E [Z] = P ′ (1 Pהיא הפונקציה היוצרת של מספר האורגניזמים בדור ה .1 מהי הפונקציה היוצרת של מספר האורגניזמים בדור ,2מותנה על kאורגניזמים בדור ה ?1 כאשר k = 2־ נרצה פונקציה יוצרת שבה )בהנתן שני ילדים בדור הראשון( המקדם של xjהוא ההסתברות שנולדו בדור השני jילדים ,אזי נולדו mילדים לצאצא 1ו j − m 55 לצאצא השני ...נבחין שזה מתקבל ע"י המקדמים של ,P 2שכן כל זוג שמשלים ל jיופיע פעם אחת. באופן כללי זה יהיה ,P kבהנתן kילדים בדור הראשון. ובלי התניה? נצטרך לסכום את הפונקציות היוצרות בהסתברויות עבור האפשרויות למה שהתרחש בדור הראשון ,כלומר: 2 k ))p0 + p1 P (x) + p2 (P (x)) + ... + pk (P (x ובאינדוקציה ־ הפונקציה היוצרת של מספר הילדים בדור ה sהיא: )◦ ... ◦ P} (x |P ◦ P {z s times ולכן ) =P (0ההסתברות להיכחדות בדור הראשון ))=P (P (0ההסתברות ל־ 0צאצאים בדור השני .. . =Pההסתברות ל־ 0צאצאים בדור ה s )◦ ... ◦ P} (x | ◦ P {z s times ולכן השאלה שמעניינת אותנו היא lim P (s) (0) = 1 ∞→s ? מכיוון שהפונקציה Pקמורה ,יתכן שהיא נחתכת עם התוחלת בשתי נקודות לכל היותר, ואם היא נחתכת בשתי נקודות ־ אזי היא ממשיכה לטפס ותמיד תהיה מעל התוחלת. למשוואה P (x) = xיש שורש ב x = 1ועוד שורש בקטע ] [0, 1אם"ם .P ′ (1) < 1 הסדרה P (0) , P (2) (0) , ... היא סדרה לא יורדת ,חסומה ,והגבול yמקיים ,P (y) = yוכיוון שיש שני שורשים ,אז y < 1ולכן הסדרה לעיל מתכנסת לגודל שהוא קטן ממש מ .1 משפט 13.10נתבונן ב ) G (n, pכאשר ,p = ncאז אם c < 1אז בהסתברות ששואפת ל 1כאשר ∞ → nמתקיים שיש קבוע dכך שכל הרכיבים קטנים מ .d · log n אם 1 < cאז בהסתברות ששואפת ל 1כאשר ∞ → nמתקיים שיש 0 < y (c) < 1 וקיים רכיב בגודל .(1 − y) n במילים אחרות ־ אם c < 1אז יש הרבה רכיבים קטנים ,ואם c > 1אז יש רכיב קשירות גדול בגודל (1 − y) nושאר הגרף נראה כמו )G (yn, p k הוכחה :יהי ) Z ∼ P oisson(cכלומר ! P r (Z = k) = e−k ckכאשר k = 1, 2, 3... נגדיר Z1 , Z2 , ...מ"מ בלתי תלויים כך שלכל iמתקיים Zi ∼ Z נגדיר: Y0 = 1 56 Yi = Yi−1 + Zi − 1 כלומר Yiהוא מספר האורגניזמים שיש אחרי ש iאורגניזמים כבר ילדו ומתו. =Tה tהמינימלי שעבורו ,Yt = 0אחרת ∞ = .T הפונקציה היוצרת של Zהיא: ci i )x = ec(x−1 !i e−c ∞ ∑ = P r [Z = i] xi ∑ = )P (x i=0 ואז למשוואה P (x) = xיש שורש קטן ממש מ 1אם"ם 1 < cואז נסמן שורש זה ב y )התלוי ב ,(cואז yמקיים ) ,y = ec(y−1ויש yיחיד שכזה בקטע )(0, 1 כשהתהליך מסתיים רושמים את וקטור ההיסטוריה: ) H = (Z1 , Z2 , Z3 , ...., ZT נאמר שהוקטור לעיל מהווה תיאור של היסטוריה אפשרית אם"ם: { Y0 = 1 Yi = Yi−1 + Zi − 1 ולכל i < Tמתקיים .0 < Yi ואז מקבלים: T −1 cZi ) e−c (ce−c ∏ = ! Zi ! Zi e−c T ∏ = ]) P r [H = (Z1 , ..., ZT i=1 )סכום ה Zים הוא T − 1שכן היצור ה Tהיה האחרון ששרד( נתבונן בגרף xe−x אם 1 ≤ cאז יש dיחיד כך ש d ≤ 1כך ש y = de−d = ce−c yהוא פונקציה של y = ec(y−1) :cכלומר ,cye−cy = ce−cזאת אומרת cy = d .d · e−d = c · e−c 57 נגדיר :לכל ,c > 1נקרא ל dהדואלי של cאם d < 1 < cמקיים ש ,d · e−d = c · e−c יש dיחיד שכזה. טענה :תהליך הסתעפות פואסוני עם פרמטר c > 1מותנה על היכחדות מתפלג כמו תהליך הסתעפות פואסוני עם פרמטר dשהוא הדואלי של .cהרעיון הוא שדיברנו על היווצרות רכיב ענק )זה אנלוגי למצב של אי־היכחדות( ועל שאר הגרף ־ שאין בו רכיב ענק, כלומר כל ההתחלות בו נכחדו. הוכחה :נחשב את ההסתברות ל ) H (Z1 , ..., ZTבהנתן שאירעה היכחדות ,וזה נותן כאמור: ) ( T −1 T −1 e−d de−d ) e−c (ce−c ∏ ∏ = ! y Zi ! Zi פואסוני עם פרמטר .d קיבלנו שמותנה על היכחדות זה נראה כמו תהליך הסתעפות ( ) תהליך בנית רכיב קשירות )C (vשל קודקוד vבגרף :G n, ncבתחילה vחי ,כל שאר הקדקודים נייטרלים t = 0 ,ו .Y0 = 1בכל זמן tשלם בוחרים wחי ,לכל w′נייטרלי בודקים האם } {w, w′צלע ,אם כן אז w′חי ,אם לא ־ w′נשאר נייטרלי .כשמסיימים לעבור על הנייטרלים ־ אז wמת ו .t := t + 1 Yt = Yt−1 + Zt − 1 ואז: Zt ∼ n − (t − 1) − Yt−1 , p }| {z } |{z alive deceased כאשר Tהוא ה tהמינימלי עבורו ,Yt = 0נקבל: )T = C (v בהגדרת Ytגם עבור .T <(t נמשיך ) t טענהYt ∼ (1 − t) + B n − 1, 1 − (1 − p) : נסמן ב Ntאת מספר הנייטרלים בזמן ,tאז ∼ )Nt ∼ B (Nt−1 , 1 − p ) הוכחה :אם ( t )B n − 1, (1 − p ( ) t nהוא מספר הקודקודים ,הנייטרלים מתפלגים ) ,B n − 1, (1 − pהמתים )(t − 1 ( ) t והחיים יחד מתפלגים )B n − 1, 1 − (1 − p אם נבחר כעת p = ncאז כל עוד tו Yt−1קטנים אז )Zt ∼ P oi (c נקבע את c ∗ ∗ ∗ ∗ )P oisson (c הסתעפות תהליך יגדיר זה Y , Y , ..., T , Z , ..., ∗ ZT∗ , H 0 1 1 )( c ∗ ו Y0 , Y1 , ..., T , Z1 , ..., ZT , Hתהליך בניית ) C (vב .G n, n לכל היסטוריה סופית ∗ Hאז: T ∏ = ]) P r [H ∗ = (Z1 , ..., ZT }P r |{z Z ∗ < zi )∼P oi(c i=1 58 ] P r [Zi = zi ∏ = ]) P r [H = (Z1 , ..., ZT וכיוון ש : )∼ P oi (c )c n ( Zi ∼ B n − 1 − Z1 − ... − Zi−1 , )כי כאשר nשואף לאינסוף ,לכל היסטוריה סופית ־ הסכום של ה Zים קבוע ולכן תתקבל התפלגות פואסונית( מתקיים: ] ∗ lim P r [H ∗ ] = P r [H ∞→n גודל רכיב מקסימלי כאשר :c < 1 ( [ ) ] t P r [T > t] ≤ P r [Yt ≥ 0] = P r B n − 1, 1 − (1 − p) > t t t וכיוון ש (1 − p) > 1 − ptאז 1 − (1 − p) < ptנוכל לקבל שהביטוי לעיל קטן או שווה ל: < > t ′ −c t } |e {z c′ some f unc. of c )B (n, pt } | {z Pr Expec. is ct and c<1 לכן אם ניקח תא כך ש c′ t > 2 log nאז t > c2′ log nההסתברות ש ) t < C (vקטנה מ n−2ולכן הסיכוי שקיים איזהשהו vכך ש ) t < C (vקטנה מ , n1נובע שכל הרכיבים בגודל לוגריתמי לכל היותר. אי שוויון שנשתמש בו: ′ P r [|B (n, p) − np| > εnp] < e−ε np ∀ε∃ε′ נטפל במקרה של :1 < c עבור tקבוע ,מתקיים ]P r [T = t] ≈ P r [T ∗ = t t עבור ) t = o (nנקבל 1 − (1 − p) ∼ ptומתקבל: ( [ ) ] ( [ ) ] t·c t P r [Yt ≤ 0] = P r B n − 1, 1 − (1 − p) ≤ t − 1 ≈ P r B n, <t n וזה אקספוננציאלית קטן ב .t 59 אם t = αnאז: 1 − (1 − p) ∼ 1 − e−cα t והנקודה הקריטית היא α = 1 − e−cα 1 − α = e−cα 1−α=y אם α < 1 − yאז 1 − e−cα > αאז ( [ ) ] P r [Yt ≤ 0] ∼ P r B n, 1 − e−cα < αn וזה קטן אקספוננציאלית ב .αn כעת אם α > 1 − yאז α > 1 − e−cαאז P r [Yt ≤ 0] ∼ 1 ומסיכום שני החישובים האחרונים נקבל שבהסתברות ששואפת ל 1כש ∞ → ,nקיים t ≈ (1 − y) nכך ש .Yt = 0 אינטואיציה :במקרים שבהם התהליך הפואסוני הולך לאינסוף ,כלומר אין מוות במקום קבוע )∞ = ∗ (Tאז T ∼ (1 − y) n P r [T ∗ = ∞] = 1 − y ולכן בוחרים t0כך ש y − ε ≤ P r [T ∗ ≤ t0 ] ≤ t = yועבור nגדול מתקיים: y − 2ε ≤ P r [T ≤ t0 ] ≤ y + ε וגם P r [t0 ≤ T ≤ (1 − δ) n (1 − y) ∨ T > (1 + δ) n (1 − y)] < ε 1 − y − 2ε ≤ P r [T ∗ ∈ [(1 − δ) (1 − y) n, (1 + δ) (1 − y) n, ]] ≤ (1 − y) + 3ε s נבחר sכך ש ) ε > (y + εו log 1ε ∼ s נבחר ,vנחשב את ) C (vויש שלוש אפשרויות: .1קטן אם |)t0 ≥ |C (v .2ענק אם ] C (v) ∈ [(1 − δ) (1 − y) n, (1 + δ) (1 − y) n, .3כישלון ־ אחרת. ממשיכים שוב ושוב עד קבלת רכיב ענק או כשלון או sרכיבים קטנים. ]sε ≥ P r [F ailure 60 s ]ε > (y + ε) ≥ P r [All are small לכן סה"כ הסיכוי לא לקבל רכיב ענק > (s + 1) εאבל εקטן כרצוננו וכנ"ל ε · sולכן בהסתברות השואפת ל ,1יש רכיב ענק שגדלו .(1 − y) n הקודקודים שלא בחנו ,הוא בלתי תלוי במה שראינו ולכן yn הגרף dעל () = m נבחין כי ) ( c הוא נראה כמו = G m, m G m, m 14 יישומים אלגבריים לתורת הגרפים משפט 14.1אי אפשר להציג את Knכאיחוד זר של פחות מ n − 1גרפים דו צדדיים שלמים. העובדה שאפשר ב n − 1היא קלה להוכחה ,לוקחים קודקוד ,vהוא יהיה צד אחד ו n − 1 הצדדים האחרים יהיו הצד השני ,אחר כך ניקח קוד' v ′ונקשר אותו ל n − 2הקודקודים וזה יהיה הגרף הדו"צ השני ,וכו' .הוכחה :לכל קודקוד ב Knנתאים משתנה .xiנניח Kn איחוד של גרפים דו"צ שלמים ) G1 (R1 , L! ) , G2 (R2 , L2 ) , ..., Gm (Rm , Lm נגדיר m + 1משוואות ליניאריות: x1 + x2 + ... + xm = 0 נגדיר עוד mמשוואות: ∑ ∑j∈R1 xj = 0 xj = 0 j∈R2 xj = 0 j∈Rm .. . ∑ נניח m ≤ n − 2אזי m + 1 ≤ n − 1אזי יש פתרון לא טריויאלי. ∑n 2 נתבונן ב ) ( i=1 xi מצד אחד זה ,0לפי המשוואה הראשונה. מאידך זה שווה ל: ( ) m n n ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ 2 2 xj xi xi + 2 = xi xj xi + 2 i∈Lk } j∈Rk {z | k=1 =0 וכיוון שהפתרון לא טריוויאלי אז > 0 בסתירה... 15 i=1 ∑n 2 i=1 xi i<j i=1 וקיבלנו שהביטוי כולו גדול ממש מאפס, שיעור אחרון )המשך שיטות אלגבריות( מטריצת סמיכות המוגדרת על ידי גרף על nקודקודים היא מטריצה :n × n { 1 i∼j = Aij 0 otherwise 61 כך למשל עבור K3בלתי מכוון תתקבל המטריצה: 0 1 1 1 0 1 1 1 0 מטריצה ממשית סימטרית תמיד ניתנת לליכסון ־ כלומר יש לה מערכת שלמה של וקטורים עצמיים אורתוגונליים. נעסוק בגרפים d־רגולריים בלבד ונחשוב על וקטורים ב ) Rnאו ב (Cnכפונקציות על קבוצת הקודקודים של הגרף. טענה ) 15.1תרגיל( יהי Gגרף d־רגולרי על nקודקודים ,עם ערכים עצמיים ≥ λ1 ≥ λ2 ... ≥ λnאזי: ) λ1 = d .1כלומר dהוא ערך עצמי ואף הגדול שבהם( נבחין כי וקטור של 1־ים הוא וקטור עצמי עם ע"ׂע ) dשכן מספר ה 1־ים בכל שורה הוא בדיוק (d .2הריבוי של dהוא 1אם"ם Gקשיר. זאת כיוון שרכיבי קשירות שונים נראים כמו תת מטריצות במטריצת הסמיכות ,ווקטור שכולו 1ים במקומות המתאימים למטריצה הרלבנטית ־ יהיה וקטור עם ע"ע .d λn ≥ −d .3ושוויון מתקיים אם"ם Gהוא דו־צדדי שתי הערות∑n : tr )(A = אi=1 λi = 0 . ) ( A Aאז נקבל (f ) = )(g ב נתבונן אם וקטור, f לכל אז המיצוע, אופרטור d אם d ∑n ב∑ . 1 gi = d j=1 Aij fi = d1 j∼i fi נתבונן במטריצה המתאימה ל ,K3מהו הפולינום האופייני? −1 −1 = x3 − 3x − 2 = (x − 2) (x + 1)2 x x −1 −1 x −1 −1 ולכן הע"ע הם 2, −1, −1 הוקטורים העצמיים המתאימים במישור המרוכב כאשר :ω 3 = 1 1 1 1 1 , ω , ω2 1 ω2 ω הוקטורים העצמיים הללו הם לא מקריים ,כיוון שאם נחשוב על קודקודי K3כאיברי החבורה Z3והגרף יהיה גרף קיילי של החבורה עם היוצרים }.{±1 )בגרף קיילי הקודקודים הם איברי החבורה ויש צלע אם"ם מאיבר א' מתקבל איבר ב' על ידי כפל באחד מחבורת היוצרים( מסתבר שהוקטורים העצמיים של גרף קיילי של חבורה אבלית הם בדיוק הכרקטרים של החבורה. הגדרה 15.2כרקטר של חבורה Hהיא העתקה }חבורת שורשי היחידה ב χ : H →{C שהיא הומומורפיזם. 62 במקרה כזה נבחין שההומומורפיזמים χ0 , χ1 , χ2שהם כרקטרים של החבורה הם: 0 1 1 1 1 ω 1 ω2 2 1 ω2 ω H χ0 χ1 χ2 נגדיר: χh (g) := ω h·g )כאשר h, gכמספרים ב ,Rכך מהטבלה לעיל מקבלים שאכן .χ1 (1) = ω 1·1 = ω 15.1 חידה נניח שיש רמזור אחד ,ו nמתגים )שיקבעו את צבעי האורות( ,כשלכל מתג 3מצבים ,ולכן n יש 3nקונפיגורציות של מתגים שקובעות את האור ברמזור }.f : {R, Y, G} → {R, Y, G n נדרוש מהפונקציות שלנו שאם יש }) x, y ∈ {R, Y, Gכלומר שתי קונפיגורציות( כך שהן שונות בכל מתג ,אזי האור המתקבל משתיהן יהיה שונה. איזו פונקציה למשל תתאים? אם נדרוש שרמזור יופעל לחלוטין על ידי המתג הראשון ־ נקבל פונקציה שעומדת בתנאים הללו. משפט 15.3יש בדיוק 3!nפונקציות כאלו. n כלומר אם } V (G) = {0, 1, 2ו }] E (G) = {{x, y} : xi ̸= yi ∀i ∈ [nמהן ה 3־צביעות החוקיות של ?G n שימו לב ש Gהוא גרף קיילי של Zn3עם היוצרים }.{±1 זהו גרף עם 3nקודקודים שהוא 2n־רגולרי. טענה 15.4בגרף זה אין קבוצה בלתי תלויה בגודל < רק אלו הנקבעות על ידי קוא' יחידה 3n 3 n }= {x ∈ {0, 1, 2} : xi = j ויש קבוצות בת"ל בגודל i, j }|{z I }1≤i≤n, j∈{0,1,2 הגרף המתאר את בעית הרמזורים הוא: K3 × K3 × ... × K3 | {z } n times נגדיר מכפלה של גרפים: עבור :G × H )V (G × H) = V (G) × V (H (u1 , v1 ) ∼ (u2 , v2 ) ⇔ u1 ∼ u2 ∧ v1 ∼ v2 63 3n 3 אבל אחת הדרכים לחשוב על זה היא שבכל קודקוד של Gאנחנו רושמים את כל קודקודי ,Hכך שנרשום צלע בין קוד' hבתוך קוד' gלקוד' h1בקוד' g1וכו'... טענה 15.5אם Aמטריצת הסמיכות של Gו Bמטריצת הסמיכות של Hאז מטריצת הסמיכות של G × Hתהיה A ⊗ Bלפי אותו רעיון כמקודם ־ נרשום מטריצה גדולה של G ובכל מקום שמופיע 1נכניס עותק של מטריצת הסמיכות של .H (A ⊗ B)i1 ,j1 ,i2 ,j2 = Ai1 ,j1 · Bi2 ,j2 )כאן i1 , j1יאמר לנו באיזה בלוק אנחנו נמצאים ו i2 , j2באיזה תא בבלוק( באופן כללי אם Aמטריצה n × nעם ו"ע v1 , ..., vnעם ע"ע λ1 , ..., λn ו Bמטריצה m × mעם ו"ע w1 , ..., wmעם ע"ע η1 , ..., ηm אז ל A ⊗ Bוקטורים עצמיים vi ⊗ wjוהע"ע λi · ηj מקרה פרטי: n ע"ע וו"ע של גרף הרמזור ,גרף קיילי של Zn3עם יוצרים }{±1 n נגדיר מכפלה פנימית על } {0, 1, 2על ידי: ∑ )f (x) g (x ⟨f, g⟩ = 3−n x∈{0,1,2}n מיהם הכרקטרים של ? Zn3לכל R ∈ Zn3נגדיר: χR : Zn3 → C על ידי: Ri Si ∑ χR (s) = ω כך ש ωשורש יחידה פרמיטיבי. נשים לב ש: ) χR (S + T ) = χR (S) · χR (T וגם χR · χS = χR+S ∑.Zn3 כלומר הכרקטרים עצמם חבורה איזומורפית ל עבור כרקטר כלשהו ־ מהו )? x∈Zne χR (x אם ) R = (0, ..., 0אז χR (T ) = 1ואז הסכום לעיל יוצא .3n נטען שאחרת קיים Tכך ש χR (T ) ̸= 1כי אחרת: χR (x) = 0 ∑ ⇒ )χR (y ∑ = )χR (T + x y ∑ x 64 = )χR (x ∑ x · ) χR (T טענה 15.6 ⟨χR , χS ⟩ = δR,S הוכחה: χR−S (x) = δR,S ∑ χR (x) χ−S (x) = 3−n ∑ χR (x) χS (x) = 3−n ∑ 3−n תהי Aמטריצת הסמיכות של הגרף שלנו ואז )AT,S χR (S ) χR (T + τ S ∑ = )χR (S τ ∈{±1}n ) χR (τ ∑ = (AχR )T ∑ = T ∼S ∑ · ) =χR (T τ ∈{±1}n הע"ע המתאים ל .R וזה נותן: { n ∏ 2 Ri = 0 = −1 = RI ̸ 0 i=1 ) −Ri +ω Ri ω n ∏ ( i=1 ולכן אם נסמן |=|Rמספר הקוא' השונות מאפס ב Rאז: |)|R −1 2 ( · =2 n הערך העצמי הכי גדול יתקבל עבור הוקטור ) (0, ..., 0והוא יתן בדיוק 2nובכל שאר הו"ע )שמקבלים 1באחת הקוא' ו 0באחרות( אז יתקבלו הערכים ) ,−2(n−1ולכן )2n = λmax ≥ ... ≥ λmin = −2(n−1 כאשר λmaxיתקבל בריבוי ,1ו λminיתקבל בריבוי 2nמתאים ל χRכשל Rקוא' יחידה שונה מ .0 משפט 15.7הופמן יהי Gגרף dרגולרי עם ע"ע λ1 ≥ ... ≥ λminותהי Iקבוצה בלתי תלויה של קודקודים −λn | λn ) |Iמספר שלילי( ב ,Gאזי n ≤ d−λn שויון יתקבל רק אם הפונקציה האופיינית של Iנפרשת על ידי הוקטורים העצמיים המתאימים ל λ1ול λmin 65 15.1.1הופמן ⇐ רמזור אם נציב את הערכים העצמיים שהגענו אליהם ,נקבל ש נניח שיש שוויון ותהי fהפונקציה האופיינית של I ) (ai χei + bi · χ2ei n ∑ 1 3 = n−1 2 2n +2n−1 ≤ ||I 3 f = cχ0 + i=1 שימו לב: f2 = f שכן הפונקציה מקבלת רק את הערכים 0ו .1 כמו כן ההצגה של fלעיל היא יחידה. כעת נניח שיש i ̸= jכך שאחד או יותר מ } {ai , biאינו 0וגם אחד או יותר מ aj , bj אינו אפס .למשל ai ̸= 0ו bi ̸= 0אזי ב f 2המקדם של χei +2ejיהי 0 ̸= ai bjבסתירה ליחידות ההצגה. לכן fתלויה לכל היותר בקוא' אחת. 15.1.2 הוכחת משפט הופמן יהי Gגרף dרגולרי עם ע"ע d = λ1 ≥ λ2 ≥ ... ≥ λminוו"ע v1 , v2 , ..., vnותהי Iקבוצה ב"ת ש fהיא הפונקציה האופינית שלה .כלומר { 1 x∈I = )f (x ∈0 x /I נכתוב: ai vi n ∑ =f i=1 ההצגה היחידה של fעל פי הבסיס של הוקטורים העצמיים. | α = |Iואז 0 ≤ α ≤ 1 נסמן n טענות * ⟨f, v1 ⟩ = ⟨a1 v1 , v1 ⟩ = a1 אבל זה גם שווה ל: ∑1 1=α n x∈I ולכן .a1 = α ** 66 = ∑1 1=α n 2 = | |ai ∑ = ⟩ ⟨f, f x∈I *** ∑ ∑1 ∑1 = )f (x) (Af ) (x )f (x f (y) = 0 = ⟩ ⟨f, Af n x n x y∼x אבל מאידך: ∑ ⟩ 2 = ai λi vi |ai | λi ∑ ai vi , ∑⟨ = ⟩ ⟨f, Af נשוב להוכחה 2 | |ai ∑ 2 λi |ai | ≥ dα2 + λmin i=2 n ∑ 2 λi |ai | = dα2 + i=2 n ∑ =0 i=1 ולכן: ( ) −λmin ⇒ 0 ≥ dα2 + λmin α − α2 ≥α d − λmin ואם יש שוויון אז נובע ש ai ̸= 0רק עבור i = 1ו viהמתאימים לע"ע .λmin 16 נספח הוכחה משיעור שלא נכחתי בו: 3 משפט 16.1קיים k, Kכך שבכל גרף על nקודקודים עם לפחות Kn 2צלעות קיים C4 3 )מרובע( ויש גרף עם kn 2צלעות שאין בו .C4 3 √ )n−1 2 (n+n הוכחה :יהי Kכך ש ≤ Kn 2 ( ) √ היא d ≥ 1 + n − 1 ) (n) ∑ (dv למה :אם 2 < v 2אז יש מרובע בגרף. ∑(F) = {(x, {u,כלומר "מזלגות", v})(: (x, הוכחה :ניקח את הקבוצה }) u) , (x, v) ∈ E נקודות xושניים משכניהן .כמה כאלו יש? בדיוק . v d2vנבחין כי n2מונה את מספר הזוגות ,כלומר את הקוא' השניה באיברי ,Fומשובך יונים אם מתקיימת ההנחה ־ יש שני איברים ב Fשמסכימים על "שיני" המזלג ,ולכן איחודם יוצר מרובע. נתבונן ב: ,מכאן שהדרגה הממוצעת בגרף על nקודקודים ) ( ∑ ) ( ∑ v dv ) ( dv d n =n ≤ n 2 2 2 v 67 −x 2 )מקמירות מאידך: 2 (x ( ) ( √) √ √ ) ( ) ( d d−1 1+ n−1 n−1 d n n − 1 (n − 1) n n =n n ≥ =n + > 2 2 2 2 2 2 ולפי הלמה ־ יש מרובע. נוכיח את החלק השני ־ קיום .k נתבונן ב F3pעבור ראשוני .p נסמן =V1קב' המישורים ב F3p 3 =V2קב' הישרים ב ⨿ Fp נגדיר גרף דו"צ ⟩G = ⟨V1 V2 , E ויש צלע בין ישר למישור אם"ם הישר במישור. כמה מישורים יש? { } ax + by + cz = 0 : (a, b, c) ∈ F3p צריך לבחור שלושה איברים ,אבל זה לא מגדיר באופן יחיד ,כי על כל מכפלה סקלרית של שלושתם תגדיר את אותו מישור )וכמובן אי אפשר לבחור את אפס( ולכן כל מישור יתקבל p3 −1 2 p − 1פעמים )עבור כל סקלר שאינו אפס( וסה"כ המישורים האפשריים p−1 = p + p + 1 . כמה ישרים יש? }{λ (x, y, z) : x, y, z ̸= 0 מגדיר ישר ,צריך לקחת את מספר הנקודות במרחב ,וכך נספור כל ישר p − 1פעמים )עבור p − 1בחירות של (λולכן גם מספר הישרים יצא .p2 + p + 1 כעת נטען שאין מעגל באורך 4בגרף ,מדוע? מכיוון שאז יהיו שני מישורים שמחוברים לשני ישרים ,כלומר שני ישרים שמוכלים בשני מישורים שונים ,אבל שני ישרים שונים מגדירים מישור אחד ויחיד ,בסתירה. כמה ישרים מוכלים במישור? במישור יש משיקולי מימד p2נקודות ,ללא אפס יש p2 − 1 וכל ישר נספר p − 1פעמים )משיקולי כפל בסקלר( במניית הנקודות ,ולכן כל מישור מכיל 2 −1 pp−1נקודות. =p+1 )( 2 ( 2 ) )( 3 מכאן שסה"כ יש |E| = p + p + 1 (p + 1) = Θ p = Θ n 3קודקודים כנדרש. 68