פרק 2:
Transcription
פרק 2:
פרק :4משפט ,Turánבעיית שיחזור מבוא לפרק: פרק זה נפתח במשפט טורן ,על שם המתמטיקאי ההונגרי Paul (Pál) Turánשעבודתו העיקרית היתה בנושא תורת המספרים .לאחר מכן ,נדון בבעיית שיחזור גרף מתת גרפים מסוימים שלו. משפט טורן משפט טורן היא דוגמה של תוצאה בתחום הנקרא "תורת הגרפים הקריטיים" ,שהוא תחום העוסק בגרפים שהם "קריטיים" ,או קיצוניים ,מבין כל אותם הגרפים בעלי תכונה מסוימת. התכונה שנחקרה כאן :יהא Gגרף מסדר . nמהו מספר המקסימלי של צלעות שהוא יכול להכיל (כפונקציה של ) nבלי שיוצר משולש? ומהי צורת הגרף מתקבל? כאן אותם גרפים בעלי מספר מקסימלי של צלעות הם "קריטיים" ביחס לתכונה של העדר משולשים בגרף .שכן הוספת צלע אחת ,ולו רק אחת ,לגרף ,הופכת אותו לגרף עם משולש(ים). לשם מוטיבציה ,נכוון שאלות אלו לסוג מסוים של גרפים מסדר , nדהיינו ,לגרפים זוגיים שלמים: שאלה: נתון גרף זוגי שלם מסדר . nמהו מספר הצלעות שגרף זה יכול להכיל בלי שיהיה בו משולש? ומהי צורת הגרף? פתרון: לפי הנחתינו ,הגרף הוא מהצורה ( , K x,n xגרף זוגי שלם מסדר .) nלגרף כזה ,אכן אין משולש (למה???) .עלינו לקבוע כמה קודקודים "להניח" בכל צד של הגרף הדו-צדדי כדי למקסם את המספר . K x ,n x הצלעות בגרף .לשם כך ,נחשב את מספר הצלעות בגרף n מתקבל, E( K x,n x ) x(n x) ,וערך זה הוא מקסימלי עבור 2 (השלימי!!) ( , x למה?) .לכן התשובה היא : א .אם n 2sזוגי ,מספר המקסמלי של צלעות שווה ___________ ,והגרף המתאים הוא ?K?,n פרק - 4עמוד 1 ב .אם n 2s 1אי זוגי ,מספר המקסימלי של צלעות שווה___________ ,והגרף המתאים הוא ?K?,n מסתבר ,שמבין כל הגרפים האפשריים מסדר , nהגרף "הקריטי" מבחינת העדר משולשים בו ,זאת אומרת זה שנותן את מספר המקסימלי של צלעות ,הוא גרף זוגי שלם. להלן הטענה המדויקת: משפט -4.1משפט Turán n2 המספר המקסימלי של צלעות בגרף חסר משולשים מסדר nהוא . יתר על כן ,מספר זה מתקבל 4 אך ורק בגרף . K n n 2 , 2 תזכורת :הביטוי t ל , t -וכן t מכונה "פונקצית התקרה" של , tהמספר השלם הקטן ביותר שגדול או שווה ל. t - הוא "הערך השלם" של , tדהיינו המספר השלם הגדול ביותר הקטן או שווה תרגיל: בדקי את תשובותייך לשאלות מקודם-האם הן כמו המשפט? נוכיח את המשפט עבור n 2sמספר זוגי ,ונשאיר את המקרה האי זוגי כתרגיל . הנה המשפט במקרה זה. משפט 4.1ז -משפט – Turánהמקרה הזוגי (א) המספר המקסימלי של צלעות בגרף חסר משולשים מסדר n 2sהוא . s 2 (ב) יתר על כן ,מספר זה מתקבל אך ורק ב. K s,s - לפני שניגש להוכחת המשפט, פרק - 4עמוד 2 הגדרה: גרף המתקבל מגרף Gעל ידי הסרת קבוצת קודקודים ' Vממנו וכן כל הצלעות המחברות אל אחד או יותר מקודקודי ' Vמסומן על ידי ' . G \ V לדוגמה , K 5 \ {a, b} K 3כאשר a, bהם 2קודקודים כל שהם ,שכן הסרת הקודקודים a, b גורמת גם להורדת הצלעות . ab, ac, ad, ae, bc, bd, be , C n \ {a} Pn1כמודגם באיור עבור . n 6 הוכחת משפט 4.1ז נוכיח באינדוקציה על . s יהי . s 1סדר הגרף הוא .2לגרף מסדר 2אין אפשרות למשולשים ,וניתן לחבר עד צלע אחת. אכן מתקבל K1,1כך שהמשפט תקף עבור . s 1 נניח שהמשפט (בשני חלקיו) תקף עבור sכל שהוא ,ויהא Gגרף בעל 2(s 1) 2s 2 קודקודים ,חסר משולשים. (א) ראשית כל ,עלינו להוכיח כי מספר הצלעות ב G -הוא לכל היותר ( , ( s 1) 2זאת אומרת ,צ"ל . ) E(G) (s 1) 2 יהיו u, vשני שכנים בגרף. פרק - 4עמוד 3 (ברור שיש 2שכנים בגרף ,כי אם לא כן ,אין צלעות כלל ב Gואז,במקרה זה ,התנאי E(G) (s 1) 2מתקיים באופן טריוויאלי). נתבונן בתת גרף } G' G \ {u, vשל G ' . Gגרף מסדר , 2sכמו באיור. נשים לב ש ' Gהוא גרף מסדר . 2(s 1) 2 2sיתר על כן G ' ,חסר משולשים ( ,כי ' G התקבל מ , G -גרף חסר משולשים ,על ידי הורדת צלעות וקודקודים) .לכן ' Gגם מקיים את הנחות האינדוקציה . לכן לפי הנחת האינדוקציה . E(G' ) s 2 ,יהא t vשכן כל שהוא של uב . G -נשים לב ש- tלא יכול להיות גם שכן של vב , G -כי אז Gהיה מכיל את המשולש . utv המסקנה מכך :אין ל uול vשכנים משותפים ב . G אם כן ,מבין 2sקודקודי ' , Gאם kמהם הם שכני uב , G -אזי מספר קודקודי ' Gשהם שכני vב G -הוא קטן או שווה . 2s k ניתן לראות המחשת הענין באיור (המתייחס רק לשכנים של uושל .) v פרק - 4עמוד 4 צלעות המתאימות לשכני .Vמספרם לכל היותר 2s-k Kצלעות המתאימות לK- שכני .U אין שכנים משותפים ל U -ול- ,Vשאם כן ,יווצר משולש! כעת נחשב את מספר הצלעות ב . G -מספר זה הוא לכל היותר מספר הצלעות ה"פנימיות " של ' G (אותן צלעות שלא מופיעות באיור הנ "ל ,אך ידוע לנו שמספרן ,לפי הנחת האינדוקציה הוא לכל היותר ,) s 2ועוד 1המתאים לצלע , uvועוד מספר שכני uב , G -דהיינו , kועוד מספר שכני vב, G - מספר הקטן או שווה . 2s k לפי כל זה ,נקבל: * 1 k 2s k מקסימום שכני v שכני u uv s2 , E (G) שהוא , ( s 1) 2כמבוקש. מקסימום צלעות ב ' G (ב) נשאר לנו לקבוע את צורת הגרף הקריטי (המקסימלי) הזה בעל 2(s 1) 2s 2קודקודים ,ובעל ( s 1) 2צלעות .לשם כך: נניח ש Gגרף בעל 2(s 1) 2s 2קודקודים ,חסר משולשים ,ועם מספר המקסימלי דהיינו , ( s 1) 2 של צלעות .עלינו להוכיח . G K s1,s1 : על פי הנחתינו ,ב G -יש את המספר המקסימלי של צלעות .אי לכךכל האישיוויונים ב * נהפכים לשיוויונים .בין השאר ,נקבל . E(G' ) s 2 ש . G' K s,s אך על פי הנחת האינדוקציה סעיף ב' ,זה אומר ֶש פרק - 4עמוד 5 בנוסף ,היות ול uיש kשכנים ב , G -ל vיש בדיוק 2s kשכנים ב( G -ולא פחות מכך). נרשום בפנינו את צורת ' . G ניזכר ש . G' K s,s -לכן נסמן את קודקודי ' Gעל ידי ' Vעם החלוקה '. V ' A'B כל צלע ב G ' -מחברת קודקוד מ A' -עם קודקוד מ , B ' -כאשר G ' ( A' B' sזוגי) כל איבר ב A' -מחובר לכל איבר ב G ' ( . B ' -זוגי שלם). לכן ,אין ל uשכנים משתי הקבוצות (כי אחרת היה מתקבל משולש ) . אי לכך ,נסיק שכל kשכני uנמצאים באחת הקבוצות –בלי הגבלת הכלליות ב , B ' -וכל 2s k שכני vנמצאים ב- . A' -ראי איור . אך , A' B' sדבר שנותן את המערכת הבאה של אישיוויונים : k s , שפתרונה . k s 2 s k s נעיין שוב ,בעזרת האיור האחרון ,בקודקודי הגרף . Gנסמן } , A A'{uאלה הקודקודים ה"אדומים",ו , B B'{v} -אלה הקודקודים ה"כחולים" .אכן קיבלנו את הדרוש A B :היא חלוקה של קודקודי Gלשתי קבוצות בגודל s 1כל אחת ,כך שכל הצלעות האפשרויות בין 2הקבוצות נמצאות: פרק - 4עמוד 6 במילים אחרות ,קיבלנו G K s1,s1 כמבוקש■ . בעיית השיחזור ,והשערת :Ulam באופן לא פורמלי" ,השערת השיחזור" בתורת הגרפים אומרת שניתן לקבוע גרף ביחידות על סמך תת הגרפים שלו .ההשערה הועלתה על ידי המתמטיקאים Stanisław Marcin Ulamותלמידו . Paul Kellyלפני שנביא אותה נפתח בכמה דוגמאות והגדרות: ניזכר :השערה( ,או בעיה פתוחה) במתמטיקה היא טענה שהועלתה על ידי מתמטיקאי אך עדיין לא ניתנה לה הוכחה ועדיין לא נמצאה דוגמה נגדית המפריכה אותה . נביט קודם ,בגרף Gבאיור הבא ,וכן באוסף 4תת הגרפים } {G \ {v} | v Vשלו. דוגמה 4.1 הגדרה: יהא G V , E גרף .אוסף הגרפים } {G \ {v} | v Vנקרא חפיסה של ( Gמלשון חפיסת קלפים) ,ומסומנת ) . D(Gכל אחד מהגרפים } G \ {vנקרא קלף בחפיסה. שימי לב שדיברנו על האוסף } , {G \ {v} | v Vשכן ,כפי שנראה בדוגמה ,4.1שחפיסה אינה תמיד "קבוצה" ,אלא עלולות להיות בה חזרות (שם } , G \ {b} G \ {dוכמו כן.) G \ {a} G \ {c} , פרק - 4עמוד 7 השאלה הנשאלת :האם ניתן לשחזר את ( Gדהיינו לקבוע את Gביחידות ,או "לדעת מה Gהיה") מחפיסה שלמה שלו? ליתר דיוק: השערה - 4.2השערת :Ulam שני גרפים מסדר , n 2בעלי אותן חפיסות הם גרפים איזומורפיים . הערות: ש " Gניתן יהא Gגרף עבורו השערת Ulamתקף ,נאמר ש"יש ל Gשיחזור יחיד" ,או ֶש לשיחזור"-כי מספיק שיהיה לנו את ) , D(Gכדי ש"נכיר" את . G עבור n 2הטענה לא נכונה .הוכיחי! (ראי תרגיל .)4 ההשערה הוכחה לכל , 3 n 11אך לא הוכחה עבור nכללי. מה שהוכח בכיוון הוא ברוח אחרת :הוכח ש"כמעט כל גרפים" ניתנים לשיחזור ,זאת אומרת ,ההסתברות שגרף מסדר nלא ניתן לשיחזור שואפת לאפס כאשר . n הּוכח אפילו של"כמעט כל גרפים" ,מספיק להכיר רק שלשה קלפים לא איזומורפיים מהחפיסה, ולא כל החפיסה ,כדי לשחזר את הגרף!!! מונחים והוכחות כגון אלו חורגים מנושא הקורס. סיכום נושאים ומונחים מפרק :4 גרף קריטי משפט טורן השערת Ulam פרק - 4עמוד 8