Đa thức Tutte của một số đồ thị
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 18, Số 1 (2021)
ĐA THỨC TUTTE CỦA MỘT SỐ ĐỒ THỊ
1*
2
Lê Mạnh Hà , Hoàng Ngọc Phú
1
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế
2
Học viên cao học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
*Email: [email protected]
Ngày nhận bài: 14/9/2020; ngày hoàn thành phản biện: 21/9/2020; ngày duyệt đăng: 22/10/2020
TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi sẽ tính toán đa thức Tutte của một số đồ thị đơn giản.
Sử dụng đa thức Tutte để tính số cây bao trùm của một đồ thị. Qua đó, chúng tôi
sẽ chỉ ra mối liên hệ giữa số cây bao trùm và định thức của ma trận Laplace thu
gọn của đồ thị.
Từ khóa: cây bao trùm, đồ thị vòng, đa thức Tutte, định lý ma trận cây, ma trận
Laplace.
1. MỞ ĐẦU
Trong các lĩnh vực của toán học thì lý thuyết đồ thị là một nội dung không thể
thiếu của nhiều nghiên cứu, trong đó một trong những hướng nghiên cứu quan trọng
là đa thức Tutte của đồ thị và ứng dụng. Đa thức Tutte, còn được gọi là đa thức nhị
phân hay đa thức Tutte-Whitney [7], là một đa thức được định nghĩa trên đồ thị. Đây
là một đa thức trong hai biến đóng vai trò quan trọng trong lý thuyết đồ thị. Đa thức
Tutte là một bất biến cơ bản của đồ thị, được xác định cho mọi đồ thị và chứa thông tin
về cách biểu đồ được kết nối. Đa thức Tutte của đồ thị ban đầu được xác định bởi W.T.
Tutte [6, 7] vào năm 1954 như một phần mở rộng của đa thức màu. Việc tính toán đa
thức Tutte của đồ thị được biết là khó khăn, do đó có nhiều mối quan tâm để tìm các
biểu thức rõ ràng của chúng cho các họ đồ thị. Đa thức Tutte là đa thức hai biến có
thuộc tính phổ quát quan trọng, được định nghĩa đệ quy thông qua hai phép toán co
và xoá cạnh của đồ thị. Các phép toán co và xoá này xuất hiện một cách tự nhiên trong
nhiều mô hình mạng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học máy tính, tối ưu, vật lý
và sinh học. Một trong nhiều ý nghĩa của đa thức Tutte là dùng để đo các chỉ số quan
trọng của một đồ thị như số cây bao trùm hay số rừng bao trùm của một đồ thị. Hiện
nay, việc nghiên cứu về đa thức Tutte của đồ thị và ứng dụng của nó vẫn được các nhà
toán học trong nước và trên thế giới tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu. Một trong những
nghiên cứu mới nhất về đa thức Tutte cho đồ thị có hướng vừa được đăng trên tạp chí
23
Đa thức Tutte của một số đồ thị
rất nổi tiếng Journal of Combinatorial Theory, Series B [1]. Bài báo này đã xây dựng đa
thức Tutte ba biến cho đồ thị có hướng dựa trên các phép xoá cạnh, co cạnh và phép
đổi hướng nhằm xác định các tính chất của một đồ thị có hướng như số thành phần
liên thông mạnh, độ dài của đường đi có hướng,... Với mong muốn tìm hiểu sâu hơn
về đa thức Tutte của đồ thị, bài viết này sẽ giúp chúng ta tính toán đa thức Tutte của
một số đồ thị vô hướng.
Định nghĩa 1. Cho 푉 là một tập khác rỗng, 퐸 ⊆ 푉 × 푉, khi đó 퐺 = (푉, 퐸) gọi là
một đồ thị.
i) Mỗi phần tử 푣 ∈ 푉 được gọi là một đỉnh của đồ thị.
(
)
ii) Mỗi phần tử 푒 = 푥, 푦 ∈ 퐸 với 푥 ≠ 푦 được gọi là một cạnh của đồ thị.
(
)
iii) Mỗi phần tử 푒 = 푥, 푥 ∈ 퐸 được gọi là một khuyên của đồ thị.
( )
( )
| | | |
iv) 푉 = 푉 퐺 được gọi là tập các đỉnh, 퐸 = 퐸 퐺 được gọi là tập các cạnh, 푉 , 퐸 lần
lượt là số các đỉnh và số các cạnh của đồ thị.
(
)
Định nghĩa 2. Cho 퐺 = (푉, 퐸) là một đồ thị, 푒 = 푎, 푏 ∈ 퐸. Khi đó ta định
nghĩa:
i) 퐺\푒 = (푉, 퐸\푒) là phép xóa cạnh 푒 trên 퐺.
{
}
{
}
ii) 퐺/푒 = (푉\ 푎, 푏 ∪ 푎푏 , 퐸′) là phép co cạnh trên 퐺, với 퐸′ được xác định như sau: với
(
)
mọi 푥, 푦 ∈ 퐸 mà
(
)
(
)
(
)
+) 푥, 푦 ≠ 푎, 푏 thì 푥, 푦 ∈ 퐸′.
′
(
)
(
)
(
)
+) 푥, 푦 ≠ 푎, 푏 thì 퐸 = 퐸\ 푥, 푦 .
(
)
(
)
+) 푦 = 푎 thì 푥, 푎 → 푥, 푎푏 .
(
)
(
)
+) 푥 = 푎 thì 푎, 푦 → 푎푏, 푦 .
Từ định nghĩa ta dễ dàng kiểm tra các phép toán co và xoá có tính chất giao
hoán. Do đó, với mọi tập con 퐴 ⊆ 퐸, các đồ thị 퐺\퐴 và 퐺/퐴 hoàn toàn được xác định.
Ngoài ra, với mọi 푒1, 푒2 ∈ 퐸 mà 푒1 ≠ 푒2 thì 퐺\푒1/푒2 và 퐺/푒2\푒1đẳng cấu với nhau. Đặc
biệt, nếu 푒 là một khuyên thì 퐺\푒 = 퐺/푒.
24
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 18, Số 1 (2021)
Hình 1. Phép co và xóa cạnh trên đồ thị 퐺
(
)
Định nghĩa 3. (Đa thức Tutte của đồ thị) Cho đồ thị 퐺 = 푉, 퐸 , 퐴 ⊆ 퐸 .
( ) ( ) | ( )|
(
)
퐺퐴 = (푉, 퐴) là đồ thị con bao trùm của 퐺. 푟 퐴 = 푟퐺 퐴 = 푉 퐺 − 푘 퐺퐴 là hạng của 퐴,
(
)
với 푘 퐺퐴 là số thành phần liên thông của 퐺퐴. Khi đó, đa thức Tutte của 퐺 được cho bởi:
( ) ( )
푟 퐸 −푟 퐴
| | ( )
퐴 −푟 퐴
(
)
(
)
(
)
( )
1
푇 퐺; 푥, 푦 = ∑ 푥 − 1
푦 − 1
퐴⊆퐸
Đa thức Tutte của một đồ thị vô hướng là một hàm sinh hai biến, dùng để đếm các cấu
trúc của đồ thị như số thành phần liên thông hay số đồ thị con bao trùm (Định lý 2).
Tuy nhiên, việc tính đa thức Tutte của một đồ thị dựa vào định nghĩa trên là khá phức
tạp. Trong bài này, chúng tôi sẽ tính đa thức Tutte của đồ thị theo định nghĩa đệ quy
sau đây. Sự tương đương của hai định nghĩa này đọc giả có thể xem chứng minh trong
[2].
(
)
(
)
(
)
Định nghĩa 4. Cho 퐺 = 푉, 퐸 là một đồ thị, 푒 = 푎, 푏 ∈ 퐸. Xét hàm 푇 퐺; 푥, 푦
của 퐺 với hai biến độc lập 푥, 푦 như sau:
(
)
| |
i) 푇 퐺; 푥, 푦 = 1 nếu 퐸 = 0;
(
)
(
)
ii) 푇 퐺; 푥, 푦 = 푥. 푇 퐺/푒; 푥, 푦 nếu 푒 là cầu;
(
)
(
)
iii) 푇 퐺; 푥, 푦 = 푦. 푇 퐺\푒; 푥, 푦 nếu 푒 là khuyên;
(
)
(
)
(
)
iv) 푇 퐺; 푥, 푦 = 푇 퐺\푒; 푥, 푦 + 푇 퐺/푒; 푥, 푦 trong các trường hợp còn lại.
(
)
Hàm hai biến 푇 퐺; 푥, 푦 này được chứng minh cũng chính là đa thức Tutte của đồ thị 퐺
[2].
(
)
Định nghĩa 5. Cho 퐺 = 푉, 퐸 là một đa đồ thị vô hướng, liên thông và không
{
}
{
}
có khuyên, trong đó 푉 = 푣1, … , 푣푛 , 퐸 = 푒1, … , 푒푚 . Khi đó:
i) Ma trận liên thuộc 퐿 của 퐺, 퐿 = (푙푖푗)푛 × 푚 với
1 ꢀế푢 푣푖 푙à đỉꢀℎ đầ푢 푐ủ푎 푐ạꢀℎ 푒
푗
−1 ꢀế푢 푣 푙à đỉꢀℎ 푐푢ố푖 푐ủ푎 푐ạꢀℎ 푒
푙푖푗 = {
푖
푗
0 ꢀế푢 푣푖 푘ℎôꢀꢁ 푙푖êꢀ 푡ℎ푢ộ푐 푣ớ푖 푒
푗
25
Đa thức Tutte của một số đồ thị
ii) Ma trận kề 퐴 = (푎푖푗)푛 × 푛 của 퐺, với 푎푖푗 = 푒(푣푖, 푣푗), trong đó 푒(푣푖, 푣푗) là số cạnh nối 푣푖
với 푣푗.
iii) Ma trận Laplace Δ = (Δ푖푗)푛 × 푛 của 퐺, với
( )
푑푒ꢁ 푣푖
ꢀế푢 푖 = 푗
Δ푖푗 = {
−푒(푣푖, 푣푗) ꢀế푢 푖 ≠ 푗
iv) Ma trận Laplace thu gọn Δ′ của 퐺 ứng với đỉnh 푠 có được từ ma trận Laplace Δ của 퐺
bằng cách xóa hàng và cột của ma trận Laplace Δ ứng với đỉnh 푠.
Mối quan hệ giữa số cây bao trùm của một đồ thị và ma trận Laplace được thể hiện
trong Định lý sau.
Định lý 1. [4] (Định lí Matrix-Tree) Số cây bao trùm của 퐺 bằng định thức của
ma trận Laplace thu gọn Δ′ của 퐺.
Đồ thị con bao trùm hay nói riêng, cây bao trùm của đồ thị đóng vai trò quan trọng
trong nghiên cứu lý thuyết đồ thị. Định lý say đây cho thấy đa thức Tutte có thể dùng
để đo các chỉ số quan trọng của một đồ thị như số cây bao trùm hay số rừng bao trùm.
Chúng ta có thể xem chứng minh trong [4].
(
)
(
)
Định lý 2. [5] Cho 퐺 = 푉, 퐸 là một đồ thị liên thông. 푇 퐺; 푥, 푦 là đa thức Tutte
của 퐺. Khi đó:
(
)
i) 푇 퐺; 1,1 chính là số cây bao trùm của đồ thị 퐺.
(
)
ii) 푇 퐺; 2,1 chính là số rừng bao trùm của đồ thị 퐺.
(
)
iii) 푇 퐺; 1,2 chính là số đồ thị con liên thông bao trùm của đồ thị 퐺.
| |
퐸
(
)
iv) 푇 퐺; 2,2 = 2 .
2. ĐA THỨC TUTTE CỦA MỘT SỐ ĐỒ THỊ
2.1 Đồ thị 푮 = 푲ퟑ, 푮 = 푲ퟒ
Định nghĩa 6. Đồ thị đầy đủ ꢀ đỉnh, ký hiệu là 퐾푛, là đơn đồ thị mà hai đỉnh
phân biệt bất kì của nó luôn liền kề.
(
Từ định nghĩa, ta thấy ngay đồ thị 퐾푛 có 푛 푛−1) cạnh và mỗi đỉnh của 퐾푛 có bậc
2
là ꢀ − 1.
Ví dụ 1. Tính đa thức Tutte của đồ thị đồ thị 퐺 = 퐾3.
Hình 2 dưới đây là cách khai triển đồ thị 퐺 trong việc tìm đa thức Tutte của nó.
26
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 18, Số 1 (2021)
Hình 2. Cách khai triển đồ thị 퐺 = 퐾3 trong việc tìm đa thức Tutte.
2
(
)
Từ khai triển này ta có đa thức Tutte của đồ thị 퐺 = 퐾3 là 푇 퐾3; 푥, 푦 = 푥 + 푥 + 푦.
2
(
)
Theo Định lí 2 thì số cây bao trùm của 퐾3 là 푇 퐾3; 1,1 = 1 + 1 + 1 = 3.
Bây giờ, chúng ta sẽ tính toán để thấy được số cây bao trùm của 퐾3 của chính bằng giá
trị của định thức Laplace thu gọn (Định lí 1) và chính là giá trị của đa thức Tutte khi
푥 = 푦 = 1. Ta có ma trận kề 퐴, ma trận Laplace Δ và ma trận Laplace thu gọn Δ′ của
퐺 = 퐾3 là:
0
1 0
1
1
1
1
1
2
−1
−1 −1
−1 −1
2
−1
−1
2
퐴 = [
(
] ; Δ = [
] ; Δ′ = [
]
2
−1
푣
3
1
2
| |
) (
)
Suy ra Δ′ = 2.2 − −1 . −1 = 3.
(
)
Do đó, số cây bao trùm của đồ thị 퐾3 chính bằng 푇 퐾3; 1,1 và bằng giá trị định thức
của ma trận Laplace thu gọn Δ′ của 퐺.
Ví dụ 2. Cho đồ thị 퐺 = 퐾4 như hình dưới đây
Hình 3. Đồ thị 퐺 = 퐾4.
Hình 4 dưới đây là cách khai triển đồ thị 퐺 trong việc tìm đa thức Tutte của nó.
27
Đa thức Tutte của một số đồ thị
Hình 4. Cách khai triển đồ thị 퐺 = 퐾4 trong việc tìm đa thức Tutte.
Vậy đa thức Tutte của đồ thị 퐺 = 퐾4 là:
3
2
2
3
(
)
푇 퐾4; 푥, 푦 = 푥 + 3푥 + 2푥 + 4푥푦 + 2푦 + 3푦 + 푦
Theo Định lí 2 thì số cây bao trùm của 퐾4 là:
3
2
2
3
(
)
푇 퐾4; 1,1 = 1 + 3. 1 + 2.1 + 4.1.1 + 2.1 + 3. 1 + 1 = 16
Bây giờ, chúng ta sẽ có một số tính toán để thấy rằng số cây bao trùm của 퐺 = 퐾4 của
định lí 2 và định lí 1 là bằng nhau. Ta có ma trận kề 퐴, ma trận Laplace Δ và ma trận
Laplace thu gọn Δ′ của 퐺 = 퐾4 là:
0
1 0
1
1
1
1
1
1
1
1
3
−1
−1 −1 −1
−1 −1
3
−1
−1 −1
−1 −1
3
퐴 = [
] ; Δ = [
] ; Δ′푣 = [
]
−1
3
4
1 0
1
−1 −1
−1 −1 −1
3
−1
3
1 0
3
| |
Suy ra Δ′ = 16
(
)
Do đó, số cây bao trùm của đồ thị 퐾4 bằng 푇 퐾4; 1,1 và cũng chính là giá trị định thức
của ma trận Laplace thu gọn Δ′ của 퐾4 .
2.2 Đồ thị 푮 = 푪ퟒ, 푮 = 푪풏
Định nghĩa 7. Đồ thị vòng ꢀ đỉnh, ký hiệu là 퐶푛, là đơn đồ thị ꢀ đỉnh
(
)
(
) (
)
(
) (
)
푣1, 푣2, … , 푣푛 ꢀ ≥ 3 và ꢀ cạnh 푣1, 푣2 , 푣2, 푣3 , … 푣푛−1, 푣푛 , 푣푛, 푣1 . Như vậy mỗi đỉnh
của 퐶푛 có bậc là 2.
28
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 18, Số 1 (2021)
Hình 5. Đồ thị 퐺 = 퐶푛.
2.2.1 Đồ thị 푮 = 푪ퟒ
Cho đồ thị 퐺 = 퐶4 như hình dưới đây
Hình 6. Đồ thị 퐺 = 퐶4.
Hình 7 dưới đây minh họa cho cách khai triển đồ thị 퐺 = 퐶4 trong việc tìm đa thức
Tutte.
Hình 7. Cách khai triển đồ thị 퐺 = 퐶4 trong việc tìm đa thức Tutte.
3
2
(
)
Vậy đa thức Tutte của đồ thị 퐺 = 퐶4 là 푇 퐶4; 푥, 푦 = 푥 + 푥 + 푥 + 푦
3
2
(
)
Theo Định lí 2 số cây bao trùm của 퐺 = 퐶4 là 푇 퐶4; 1,1 = 1 + 1 + 1 + 1 = 4
29
Đa thức Tutte của một số đồ thị
Ta có ma trận kề 퐴, ma trận Laplace Δ và ma trận Laplace thu gọn Δ′ của 퐺 = 퐶4 là:
0
1 0
1
1
1
1
1
1
1
1
2
−1
−1 −1 −1
−1 −1
2
−1
−1 −1
−1 −1
2
퐴 = [
] ; Δ = [
] ; Δ′푣 = [
]
−1
2
4
1 0
1
−1 −1
−1 −1 −1
2
−1
2
1 0
2
| |
Suy ra Δ′ = 4
(
)
Do đó, số cây bao trùm của đồ thị 퐶4 chính bằng 푇 퐶4; 1,1 và bằng giá trị định thức
của ma trận Laplace thu gọn Δ′của 퐺.
2.2.2 Đồ thị 푮 = 푪풏
Định lí 3. Đa thức Tutte của đồ thị 퐶푛 là
푇 퐶푛; 푥, 푦 = 푥푛−1 + 푥푛−2 + ⋯ + 푥 + 푦
(
)
Chứng minh. Ta có
푛−1
(
)
(
)
푇 퐶푛; 푥, 푦 = 푥
+ 푇 퐶푛−1; 푥, 푦 với mọi ꢀ ≥ 4.
3
Do đó 푇 퐶푛; 푥, 푦 = 푥푛−1 + 푥푛−2 + ⋯ + 푥 + 푇 퐶3; 푥, 푦
(
)
(
)
2
(
)
Mà 푇 퐶3; 푥, 푦 = 푥 + 푥 + 푦
Suy ra 푇 퐶푛; 푥, 푦 = 푥푛−1 + 푥푛−2 + ⋯ + 푥 + 푦.
(
)
(
)
Nhận xét: 푇 퐶푛; 1,1 = ꢀ chính bằng số cây bao trùm của đồ thị vòng 퐶푛 và đó cũng
chính là giá trị của định thức của ma trận Laplace thu gọn Δ′ của 퐶푛.
Hình 8. Cách khai triển đồ thị 퐺 = 퐶푛 trong việc tìm đa thức Tutte.
3. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã tính toán đa thức Tutte của một số đồ thị vô
hướng. Sử dụng đa thức Tutte để tính số cây bao trùm của đồ thị. Qua đó, chúng tôi đã
30
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 18, Số 1 (2021)
khẳng định được số cây bao trùm bằng định thức của ma trận Laplace thu gọn của một
đồ thị.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Awan, Jordan and Bernardi, Oliver (2020), Tutte polynomials for directed graphs, J.Combin.
Theory Ser. B, Vol 140, pp 192-247.
[2]. Brylawski, T., Oxley, J.(1992), The Tutte Polynomial and its Applications. In: White, N.(ed)
Matroid Applications, Encyclopedia of Mathematics and its Applications, Cambridge University
Press, Cambridge.
[3]. Merino López, Criel (1997), Chip fring and the Tutte polynomial, Annals of Combinatorics,
(3) 1, pp 253-259.
[4]. Stanley, Richard P. (1998), Enumerative combinatorics, Cambridge University Press (Vol.1).
[5]. Ellis-Monaghan J.A., Merino C. (2011), Graph Polynomials and Their Applications I: The Tutte
Polynomial. In Dehmer M. (eds) Structural Analysis of Complex Networks. Birkauser
[6]. Tutte, W. T. (1947), A ring in graph theory. Proc. Cambridge Phil. Soc., 43, pp 26-40.
[7]. Tutte, W. T. (1954), A contribution to the theory of chromatic polynomials. Can. J. Math., 6, pp
80-91.
31
Đa thức Tutte của một số đồ thị
THE TUTTE POLYNOMIAL OF SOME GRAPHS
1*
2
Le Manh Ha , Hoang Ngoc Phu
1
University of Education, Hue University
2
Graduate students, University of Sciences, Hue University
*Email: [email protected]
ABSTRACT
In this paper, we compute the Tutte polynomial of some graphs. We use the Tutte
polynomial to calculate the number of spanning trees of the graph. Thereby, we
can confirm that the number of spanning trees is equal to the determinant of
Laplace matrix of a graph.
Keyword: Cycle graph, Laplace matrix, Matrix-tree Theorem, Spanning tree, Tutte
polynomial.
Lê Mạnh Hà sinh ngày 25 tháng 02 năm 1979 tại Quảng Bình. Năm 2001,
ông tốt nghiệp Đại học ngành SP Toán tại Trường Đại học Sư phạm, Đại
học Huế. Ông nhận bằng thạc sỹ Toán Giải tích tại Trường Đại học Sư
phạm, Đại học Huế năm 2005 và nhận học vị Tiến sĩ ngành Đảm bảo toán
học cho máy tính và hệ thống tính toán tại Viện Toán học, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2011. Hiện ông công tác tại
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế.
Lĩnh vực nghiên cứu: Tính toán tổ hợp, Hệ động lực rời rạc, Lý thuyết đồ
thị, Thuật toán.
Hoàng Ngọc Phú sinh ngày 14 tháng 07 năm 1994 tại Phú Yên. Năm 2016,
ông tốt nghiệp Đại học ngành Toán học tại Trường Đại học Quy Nhơn.
Ông nhận bằng thạc sỹ Toán Ứng dụng tại Trường Đại học khoa học, Đại
học Huế năm 2020. Hiện ông công tác tại Trường Phổ thông Duy Tân,
Thành phố Tuy Hòa, Phú Yên.
Lĩnh vực nghiên cứu: Toán ứng dụng.
32
10 trang
14540
Free
Bạn đang xem tài liệu "Đa thức Tutte của một số đồ thị", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- da_thuc_tutte_cua_mot_so_do_thi.pdf
