Инвариант Колен де Вердьера

Инвариант Колен де Вердьера — характеристика графа $\mu (G)$, определённая для любого графа G, введённая Ивом Колен де Вердьером в 1990 году в процессе исследования кратности второго собственного значения некоторых операторов Шрёдингера.

Определение

Пусть $G=(V,E)$ — простой (не содержащий петель и кратных рёбер) ациклический граф. Без потери общности поименуем множество вершин следующим образом: $V=\{1,\dots ,n\}$. Тогда $\mu (G)$ — наибольший коранг любой такой матрицы $M=(M_{i,j})\in \mathbb {R} ^{(n)}$, что:

• (M1) для любых $i,j$, где $i\neq j$: $M_{i,j}<0$, если i и j смежны, и $M_{i,j}=0$ , в противном случае
• (M2) M имеет ровно одно собственное значение кратности 1;
• (M3) не существует такой ненулевой матрицы $X=(X_{i,j})\in \mathbb {R} ^{(n)}$, что $MX=0$, и что $X_{i,j}=0$ всякий раз, когда $i=j$ или $M_{i,j}\neq 0$.

Классификация известных групп графов

С точки зрения инварианта Колен де Вердьера, некоторые хорошо известные семейства графов обладают характерными особенностями:

• $\mu (K_{1})=0$, $\mu (K_{n})=n-1$, $\mu ({\overline {K_{n}}})=1$ при $n>1$;
• μ ≤ 1 тогда и только тогда, когда G является линейным лесом (лесом, в котором каждый компонент является путём, то есть инцидентность любой вершины не больше 2);
• μ ≤ 2 тогда и только тогда, когда G является внешнепланарным графом (все вершины лежат на одной грани);
• μ ≤ 3 тогда и только тогда, когда G является планарным графом;
• μ ≤ 4 тогда и только тогда, когда G является бессвязно встраиваемым, то есть не существует двух циклов в G, для которых при отображении на евклидово пространство (коэффициент зацепления) равен нулю.

Эти же группы графов проявляют свои отличительные черты и при анализе связи между инвариантом графа и дополнением этого графа:

• Если дополнение графа с n вершинами является линейным лесом, то μ ≥ n − 3;
• Если дополнение графа с n вершинами является внешнепланарным графом, тоμ ≥ n − 4;
• Если дополнение графа с n вершинами является планарным графом, то μ ≥ n − 5.

Миноры графов

Минором графа G называют граф H, полученный из G последовательным удалением вершин, удалением рёбер и сжатием рёбер. Инвариант Колена де Вердьера монотонен относительно операции взятия минора в том смысле, что минорирование графа не может увеличить его инвариант:

Если H является минором G, то $\mu (H)\leq \mu (G)$.

По теореме Робертсона — Сеймура, для любого k существует H, конечное множество графов такое, что для любого графа с инвариантом не более k графы из H не могут быть минорами. В работе (Colin de Verdière 1990) перечисляются множества таких недопустимых миноров для k ≤ 3; для k = 4 множество недопустимых миноров состоит из семи графов Petersen family по определению бессвязно встраиваемого графа как графа с μ ≤ 4 и без графов Петерсена в качестве миноров.

Связь с хроматическим числом

(Colin de Verdière 1990) предположил, что любой граф с инвариантом де Вердьера μ может быть раскрашен с использованием не более чем μ + 1 цветов. Например, у линейных лесов (компоненты которых являются двудольными графами) инвариант равняется 1; у внешнепланарных графов инвариант равняется 2, и они могут быть раскрашены тремя цветами; у планарных графов инвариант — 3, и они могут быть раскрашены четырьмя цветами.

Для графов с инвариантом де Вердьера не более четырёх предположение истинно; они все являются бессвязно встраиваемыми, и тот факт, что они раскрашиваются пятью цветами, является следствием доказательства гипотезы Хадвигера для графов без миноров типа K₆ в работе (Robertson, Seymour & Thomas 1993).

Другие свойства

Если число пересечений графа равно k, то инвариант де Вердьера для него будет не более k + 3. Например, графы Куратовского K₅ и K_3,3 могут быть изображены с одним пересечением, и инвариант для них будет не более четырёх.

Ссылки

• Colin de Verdière, Y. (1990), "Sur un nouvel invariant des graphes et un critère de planarité", Journal of Combinatorial Theory, Series B, 50 (1): 11—21, doi:10.1016/0095-8956(90)90093-F. Translated by Neil Calkin as Colin de Verdière, Y. (1993), "On a new graph invariant and a criterion for planarity", in Robertson, Neil; Seymour, Paul (eds.), Graph Structure Theory: Proc. AMS–IMS–SIAM Joint Summer Research Conference on Graph Minors, Contemporary Mathematics, vol. 147, American Mathematical Society, pp. 137—147.
• van der Holst, Hein; Lovász, László; Schrijver, Alexander (1999), "The Colin de Verdière graph parameter", Graph Theory and Combinatorial Biology (Balatonlelle, 1996), Bolyai Soc. Math. Stud., vol. 7, Budapest: János Bolyai Math. Soc., pp. 29—85.
• Kotlov, Andrew; Lovász, László; Vempala, Santosh (1997), "The Colin de Verdiere number and sphere representations of a graph", Combinatorica, 17 (4): 483—521, doi:10.1007/BF01195002
• Lovász, László; Schrijver, Alexander (1998), "A Borsuk theorem for antipodal links and a spectral characterization of linklessly embeddable graphs", Proceedings of the American Mathematical Society, 126 (5): 1275—1285, doi:10.1090/S0002-9939-98-04244-0.
• Robertson, Neil; Seymour, Paul; Thomas, Robin (1993), "Hadwiger's conjecture for K₆-free graphs" (PDF), Combinatorica, 13: 279—361, doi:10.1007/BF01202354.