Czy kolory wierzchołków - w pewnym sensie - są kolorami krawędzi?


16

Wiadomo, że barwniki krawędzi grafu są barwniki wierzchołku specjalnej wykresu, a mianowicie na wykresie linia L ( G ) o G .G L(G)G

Czy istnieje operator wykresu taki, że zabarwienie wierzchołków wykresu G jest zabarwieniem krawędzi wykresu Φ ( G ) ? Interesuje mnie taki operator wykresu, który można konstruować w czasie wielomianowym, tj. Wykres Φ ( G ) można uzyskać z G w czasie wielomianowym.ΦG Φ(G)Φ(G)G

Uwaga : Podobne pytanie można zadać dla stabilnych zestawów i dopasowań. Dopasowanie w jest stabilnym zestawem w L ( G ) . Czy istnieje operator grafu Ψ taki, że zestawy stabilne w G są dopasowaniami w Ψ ( G ) ? Od trwałego zestawu jest N P -Complete i pasujące do nich należy do P , na przykład operator wykres Ψ (jeśli istnieje), nie może być wykonane w czasie wielomianowym, przy założeniu, że N P ≠ P . GL(G)ΨGΨ(G)NPPΨNP≠P

EDYCJA: Zainspirowany odpowiedzią @ usul oraz komentarzami @ Okamoto i @ King, znalazłem słabszą formę dla mojego problemu: Kolorowanie wierzchołków wykresu to zabarwienie krawędzi hipergrafu Φ ( G ) zdefiniowane w następujący sposób. Wierzchołek zestaw cp ( G ) jest ten sam zestaw wierzchołek G . Dla każdego wierzchołka v o G zamknięta sąsiedztwo N G [ V ] = N G ( V ) ∪ { v } jest krawędź hipergraf cp ( GG Φ(G)Φ(G)GvGNG[v]=NG(v)∪{v} . Zatem G jest wykresem liniowym hipergrafu Φ ( G ), a zatem zabarwienie wierzchołków G jest zabarwieniem krawędzi Φ ( G ) .Φ(G)GΦ(G)GΦ(G)

Ponownie jestem wdzięczny za wszystkie odpowiedzi i komentarze wskazujące, że przy założeniu lub bez niego operator, którego szukam, nie może istnieć. Byłoby miło, gdybym mógł zaakceptować wszystkie odpowiedzi!NP≠P


Dziękujemy wszystkim za miłe komentarze (i cierpliwość!) Oraz przydatne odpowiedzi. Potrzebuję czasu na czytanie, na przemyślenie i być może powrócę ze świeżymi oczami.
— user13136,

6
Natknąłem się na następujący dość interesujący problem postawiony przez Nishizeki i Zhou w 1998 roku, który jest w jakiś sposób związany z twoim pytaniem i twoim drugim komentarzem do @TsuyoshiIto: Czy problem zabarwienia wierzchołków można „po prostu” zredukować do problemu zabarwienia krawędzi? (...) Ponieważ oba problemy są NP-zupełne, każdy z nich można zredukować do drugiego przez 3-SAT, ze względu na teorię kompletności NP. Tak więc otwarty problem pyta ... (patrz tutaj )
— wer.

@vble: dziękuję! Przyznaję, że chciałem „za bardzo”. Taki operator rozwiązałby problem Nishizeki i Zhou.
— user13136

Odpowiedzi:


16

Myślę, że przez analogię z wykresem liniowym pytasz:

Czy dla każdego nieukierowanego wykresu istnieje nieukierowany wykres G ′ = ( V ′ , E ′ ), taki że każdy wierzchołek v ∈ V odpowiada krawędzi ( v 1 , v 2 ) ∈ E ′ i krawędzie odpowiadające u ∈ V i v ∈ V dzielą co najmniej jeden punkt końcowy wtedy i tylko wtedy, gdy ( u , v )G=(V,E)G′=(V′,E′)v∈V(v1,v2)∈E′u∈Vv∈V ?(u,v)∈E

Odpowiedź może brzmieć „ nie” . Rozważmy drzewo z czterema wierzchołkami z rdzeniem v mającym troje potomków x , y , z . W G ′ musimy mieć cztery krawędzie: ( v 1 , v 2 ) , ( x 1 , x 2 ) , ( y 1 , y 2 ) , ( z 1 , z 2 ) . Ponadto musi być tak, że albo vGvx,y,zG′(v1,v2),(x1,x2),(y1,y2),(z1,z2) lub V 2 stanowi punkt końcowy każdego z innych trzech krawędzi (tj, | { v 1 , V, 2 } ∩ { x 1 , x 2 } | ≥ 1 , itd.) Oznacza to jednak, że co najmniej dwie z pozostałych trzech krawędzi muszą mieć wspólny punkt końcowy, co narusza nasze wymagania, ponieważ żadne z dwóch x , y , z nie sąsiadują na oryginalnym wykresie.v1v2|{v1,v2}∩{x1,x2}|≥1x,y,z

Myślę, że ten sam wykres da również kontrprzykład dla pasującego pytania.


3
Słuszna uwaga! Właściwie miałem te same myśli. Ale może istnieje inny sposób zdefiniowania ? Lub jak możemy formalnie udowodnić, że taki operator Φ nie istnieje? G′Φ
— user13136,

1
@ user13136, hmm, być może istnieje jakiś twórczy sposób, ale trzeba przeformułować swoje pytanie (myślę, że mój kontrprzykład jest formalnym dowodem na pytanie sformułowane w cytowanym polu). Intuicyjnie myślę, że problem polega na tym, że idąc w kierunku wykresu liniowego bierzemy krawędź (którą można połączyć tylko z dwoma wierzchołkami) i przekształcamy w wierzchołek (który można połączyć z dowolną liczbą krawędzi) - łatwo . Odwrotność jest odwrotna i trudniejsza.
— usul

2
Po prostu dodając do odpowiedzi Usula, krótka odpowiedź brzmi „nie”, ponieważ dopasowania mają właściwości strukturalne niekoniecznie obecne w zestawach stabilnych. Na przykład każdy wykres liniowy jest również quasi-liniowy i pozbawiony szponów; to naprawdę ogranicza głębokość zabarwienia krawędzi w porównaniu do zabarwienia wierzchołków.
— Andrew D. King,

14

Pytanie zawiera pewną dwuznaczność w tym, co rozumiesz przez „zabarwienie wierzchołków wykresu G to zabarwienie krawędzi wykresu H ”, ale trudno jest zbudować wykres, którego krawędziowa liczba chromatyczna jest równa (wierzchołkowej) liczbie chromatycznej dany wykres. Formalnie następujący problem relacji jest trudny w NP.

Reprezentujący numer chromatycznej jako krawędź numer chromatycznej
Instancji : wykres G .
Roztwór : Wykres H tak, że krawędź liczba chromatyczna χ '( H ) w H wynosi chromatycznej numer Ď ( G ) o G .

Wynika to z faktu, że twierdzenie Vizinga daje (trywialny) skuteczny algorytm, który aproksymuje krawędź liczby chromatycznej z błędem addytywnym wynoszącym 1, podczas gdy liczba chromatyczna jest trudna do przybliżenia nawet w różnych sensach. Na przykład Khanna, Linial i Safra [KLS00] pokazali, że następujący problem jest NP-zupełny (a później Guruswami i Khanna [GK04] podali znacznie prostszy dowód):

3-colorable porównaniu non-4-colorable
wystąpienia : Wykres G .
Tak, obietnica : G można pokolorować w 3 kolorach.
Bez obietnicy : G nie jest 4-kolorowe.

Ten wynik jest wystarczający, aby udowodnić twardość NP, którą twierdziłem na początku. Dowód pozostaje jako ćwiczenie, ale oto wskazówka:

Ćwiczenia . Udowodnij, że wyżej wspomniany problem „Reprezentowanie liczby chromatycznej jako krawędziowej liczby chromatycznej” jest trudny do NP przy funkcjonalnej redukcji w czasie wielomianowym przez zmniejszenie do niego „3-kolorowalnych kontra nie-4-barwnych”. Oznacza to, że skonstruuj dwie funkcje czasu wielomianowego f (który odwzorowuje wykres na wykres) i g (który odwzorowuje wykres na bit) tak, aby

  • Jeśli G jest trójkolorowym wykresem, a H jest takim wykresem, że χ ( f ( G )) = χ '( H ), to g ( H ) = 1.
  • Jeśli G jest grafem bez 4 kolorów, a H jest takim wykresem, że χ ( f ( G )) = χ '( H ), to g ( H ) = 0.

Bibliografia

[GK04] Venkatesan Guruswami i Sanjeev Khanna. Na twardości 4-kolorowania 3-kolorowy graf. SIAM Journal on Discrete Mathematics , 18 (1): 30–40, 2004. DOI: 10.1137 / S0895480100376794 .

[KLS00] Sanjeev Khanna, Nathan Linial i Shmuel Safra. O twardości zbliżenia liczby chromatycznej. Combinatorica , 20 (3): 393–415, marzec 2000 r. DOI: 10.1007 / s004930070013 .


Dziękuję za odpowiedź! Jestem trochę nieprecyzyjny, formułując „zabarwienie wierzchołków wykresu to zabarwienie krawędzi wykresu H ”. Mam na myśli operator Φ, taki jak operator wykresu liniowego L , ale od kolorowania wierzchołków do kolorowania krawędzi. To w jakiś sposób więcej niż χ ( G ) = χ ′ ( H ) . G HΦLχ(G)=χ′(H)
— user13136,

Ponieważ zarówno VERTEX COLORING, jak i EDGE COLOURING są kompletne , możemy z definicji skonstruować H z G w czasie wielomianowym, tak że χ ( G ) ≤ k iff χ ′ ( H ) ≤ k ′. Ale taka konstrukcja nie musi spełnij właściwość dla operatora Φ Szukam. Redukuje tylko zabarwienie wierzchołków do zabarwienia krawędzi. NPHGχ(G)≤kχ′(H)≤k′Φ
— user13136,

1
@ user13136: Jeśli słabsze wymaganie jest niemożliwe do spełnienia, silniejsze wymaganie jest oczywiście również niemożliwe. To jest logika. Powinieneś zrozumieć, że twój przykład z płaskiego wykresu nie jest tego przykładem. Decyzja o 3-kolorowalności danego wykresu płaskiego nie jest słabszym wymaganiem niż decyzja o 4-kolorowności danego wykresu płaskiego; są to tylko inne wymagania. Z drugiej strony pokazałem już, że to, czego chcesz, jest niemożliwe, chyba że P = NP, kropka. Ale jeśli masz problem ze zrozumieniem tego, nie sądzę, że mogę coś zrobić, aby pomóc ci zrozumieć.
— Tsuyoshi Ito

1
Jeśli dobrze rozumiem pytanie, taka mapa nie istnieje. Nie musimy odnosić się do kompletności NP. Rozważmy G = K 1 , 3 i załóżmy, że takie Φ ( G ) istnieje. Ponieważ G jest dwukolorowe, Φ ( G ) powinno być dwukolorowe. Oznacza to, że maksymalny stopień Φ ( G ) wynosi najwyżej dwa. Ponieważ Φ ( G ) ma cztery krawędzie, możemy przejść przez wszystkich kandydatów na Φ ( G )ΦG=K1,3Φ(G)GΦ(G)Φ(G)Φ(G)Φ(G)Φ(G)G

1
@ user13136: Przyszło mi do głowy, że mogłeś być zdezorientowany, ponieważ napisałem tylko pomysł na dowód i pominąłem właściwy dowód. Poprawiłem odpowiedź, aby było jasne, że pominąłem rzeczywisty dowód i dodałem kilka wskazówek dotyczących dowodu. Jeśli to nadal nie zadziała, poddaję się.
— Tsuyoshi Ito

9

ΦGG′G=L(G′)GΦL−1Φ(G)=G′GΦ(G)

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.