Число Ловаса (Cnvlk Lkfgvg)
Число Ловаса графа — вещественное число, которое является верхней границей ёмкости Шеннона этого графа. Число Ловаса известно также под именем тета-функция Ловаса и обычно обозначается как . Это число впервые ввёл Ласло Ловас в статье 1979 года «On the Shannon Capacity of a Graph» («О ёмкости Шеннона графа»)[1].
Определение
[править | править код]Пусть G = (V, E) — граф с n вершинами. Упорядоченное множество n единичных векторов называется ортонормальным представлением графа G в RN, если ui и uj ортогональны, когда вершины i и j несмежны в G:
Ясно, что любой граф допускает ортонормальное представление с N=n (просто вершинам сопоставим вершины различных векторов стандартного базиса[англ.] пространства Rn, хотя такое представление не является правильным (произведение векторов равно нулю, даже если соответствующие вершины смежны), разве что граф вообще не имеет рёбер. Правильное представление для N = n возможно, однако, в общем случае, N может быть существенно меньше числа вершин n.
Число Ловаса ϑ графа G определяется следующим образом:
где c — единичный вектор в RN, а U — ортонормальное представление G в RN. Здесь минимизация неявно предполагается и по размерности N, однако без потери общности достаточно предположить N = n [2]. Интуитивно, это соответствует минимизации половины угла кругового конуса, содержащего векторы ортонормального представления графа G. Если оптимальный угол равен , то и c соответствует оси симметрии конуса[3].
Эквивалентные выражения
[править | править код]Пусть G = (V, E) — граф с n вершинами. Пусть A — n × n симметричные матрицы, такие, что aij = 1 всякий раз, когда i = j или , и пусть обозначает наибольшее собственное значение матрицы A. Тогда альтернативным способом вычисления числа Ловаса графа G является следующее[4]:
Следующий метод является двойственным к предыдущему. Пусть B —n × n симметричные положительно определённые матрицы, такие, что bij = 0 для любого и Tr(B) = 1. Здесь Tr обозначает след (сумма диагональных элементов), а J является n × n матрицей единиц. Тогда[5]
Tr(BJ) просто равна сумме всех элементов B.
Число Ловаса можно вычислить в терминах дополнения графа G. Пусть d — единичный вектор и — ортонормальное представление графа G[6].
Значение ϑ для некоторых хорошо известных графов
[править | править код]Граф | Значение |
---|---|
Полный граф | |
Граф без рёбер | |
Граф пятиугольника | |
Циклы | |
Граф Петерсена | |
Кнезеровские графы | |
Многодольные графы |
Свойства
[править | править код]Если обозначает сильное произведение графов графов G и H, тогда[7]
Если G является дополнением графа G, то[8]
и неравенство превращается в равенство, если граф G вершинно-транзитивен.
«Теорема сэндвича» Ловаса
[править | править код]«Теорема сэндвича» Ловаса утверждает, что число Ловаса лежит между двумя другими числами, вычисление которых является NP-полной задачей[9]. Точнее,
где — кликовое число графа G (размер наибольшей клики) а — хроматическое число графа G (наименьшее число цветов, необходимое для раскраски вершин G так, что никакие две смежные вершины не раскрашены в один цвет). Однако значение может быть аппроксимировано методом эллипсоидов за время, ограниченное полиномиальной функцией от числа вершин графа G[10].
Связь с ёмкостью Шеннона
[править | править код]Ёмкость Шеннона графа G определяется следующим образом:
где является числом независимости графа G (размер наибольшего независимого множества графа G), а Gk — сильное произведение графа G самого на себя k раз. Ясно, что . Однако число Ловаса даёт верхнюю границу ёмкости Шеннона графа[11], поскольку
Например, пусть C5 , пятиугольник, — граф малоразличимости сообщений для канала. С момента появления статьи Шеннона[12] встала задача определения значения . Ловас первым[1] установил, что .
Ясно, что . Однако, , поскольку «11», «23», «35», «54», «42» являются пятью взаимно различимыми сообщениями (образующие независимое множество из пяти вершин в сильном квадрате графа C5, т.е. ), так что .
Чтобы показать, что эта граница является точной, пусть будет ортонормальным представлением пятиугольника:
И пусть . Если использовать эти величины в определении числа Ловаса, мы получим . Следовательно, .
Однако существуют графы, для которых число Ловаса и ёмкость Шеннона отличаются, так что число Ловаса не может быть использовано, в общем случае, для вычисления точной ёмкости Шеннона для графа[13].
Квантовая физика
[править | править код]Число Ловаса было обобщено для «некоммутативных графов» в контексте квантовой связи[англ.][14]. Число Ловаса возникает также в квантовой контекстуальности[англ.] при попытке объяснить мощность квантовых компьютеров[15].
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 Lovász, 1979.
- ↑ Если N > n, то можно всегда получить меньшее значение, ограничив c подпространством, натянутым на вектора ui, размерность которого не превышает n.
- ↑ Lovász, 1995–2001, с. 28 Proposition 5.1.
- ↑ Lovász, 1979, с. Theorem 3.
- ↑ Lovász, 1979, с. Theorem 4.
- ↑ Lovász, 1979, с. Theorem 5.
- ↑ Lovász, 1979, с. Lemma 2, Theorem 7.
- ↑ Lovász, 1979, с. Corollary 2, Theorem 8.
- ↑ Knuth, 1994.
- ↑ Grötschel, Lovász, Schrijver, 1981.
- ↑ Lovász, 1979, с. Theorem 1.
- ↑ Shannon, 1956.
- ↑ Haemers, 1979.
- ↑ Duan, Severini, Winter, 2013.
- ↑ Howard, Wallman, Veitch, Emerson, 2014, с. 351.
Литература
[править | править код]- Mark Howard, Joel Wallman, Victor Veitch, Joseph Emerson. Contextuality supplies the 'magic' for quantum computation // Nature. — 2014. — Июнь (т. 510). — С. 351. — doi:10.1038/nature13460. — PMID 24919152.
- Runyao Duan, Simone Severini, Andreas Winter. Zero-error communication via quantum channels, non-commutative graphs and a quantum Lovász ϑ function // IEEE Trans. Inf. Theory. — 2013. — Т. 59, вып. 2. — С. 1164–1174. — doi:10.1109/TIT.2012.2221677. — arXiv:1002.2514.
- Martin Grötschel, László Lovász, Alexander Schrijver. The ellipsoid method and its consequences in combinatorial optimization // Combinatorica. — 1981. — Т. 1, вып. 2. — С. 169–197. — doi:10.1007/BF02579273. Архивировано 18 июля 2011 года.
- Martin Grötschel, László Lovász, Alexander Schrijver. Chapter 9.3. Orthonormal Representations // Geometric Algorithms and Combinatorial Optimization. — Springer, 1988. — С. 285. — ISBN 978-0-387-13624-0.
- Willem H. Haemers. On Some Problems of Lovász Concerning the Shannon Capacity of a Graph // IEEE Transactions on Information Theory. — 1979. — Т. 25. — С. 231–232. — doi:10.1109/tit.1979.1056027. Архивировано 5 марта 2012 года.
- Donald E. Knuth. The sandwich theorem // Electronic Journal of Combinatorics. — 1994. — С. A1. — arXiv:math/9312214.
- László Lovász. On the Shannon Capacity of a Graph // IEEE Transactions on Information Theory. — 1979. — Т. IT-25, вып. 1. — С. 1–7. — doi:10.1109/tit.1979.1055985.
- László Lovász. Chapter 3.2. Chromatic number, cliques, and perfect graphs // An Algorithmic Theory of Numbers, Graphs and Convexity. — SIAM, 1986. — С. pp. 75. — ISBN 978-0-89871-203-2.
- László Lovász. Semidefinite programs and combinatorial optimization. — 1995–2001., Лекции.
- László Lovász. Semidefinite programs and combinatorial optimization // Recent Advances in Algorithms and Combinatorics / Reed, Sales. — 2003.
- Claude Shannon. The zero error capacity of a noisy channel // IRE Transactions on Information Theory. — 1956. — Т. 2, вып. 3. — С. 8–19. — doi:10.1109/TIT.1956.1056798.
Ссылки
[править | править код]- Weisstein, Eric W. Lovász Number (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- Weisstein, Eric W. Sandwich Theorem (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- Weisstein, Eric W. Shannon Capacity (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
Для улучшения этой статьи желательно:
|