Если пара вершин графа
, которые находятся на расстоянии 2
друг от друга, то подграф на множестве общих смежных с ними вершин называется
-подграфом графа
.
Графы без 3-лап с несвязными -подграфами
были изучены в 1994 году А.Е. Брауэром и М. Нуматой [7].
Теорема А.Е. Брауэра и М. Нуматы [7] утверждает, что конечными
графами без 3-лап, у которых все
-подграфы несвязны, являются
решетчатые
-графы и
-графы.
Пусть
множество вершин
-графа. Тогда
вершины
, где
, смежны в
-графе тогда и только тогда, когда
. Понятно, что
-графы не содержат
-коклик.
В графе с несвязными -подграфами
любой подграф, изоморфный
, содержится в подграфе, изоморфном
, то есть в
. Такие графы мы будем называть
-однородными графами.
Следовательно, граф, у которого все
-подграфы несвязны, является
-однородным графом.
Следующая теорема, которая
обобщает теорему А.Е. Брауэра и М. Нуматы в том случае, когда граф
содержит -коклику, доказывается в первой главе диссертации [45].
Для того, чтобы сформулировать теорему, нам понадобится понятие
кликового расширения графа.
Кликовым расширением графа
называется граф,
полученный заменой каждой вершины
из
на полный
подграф
, содержащий не менее одной вершины, причем вершины
из различных клик
и
смежны тогда и только тогда,
когда вершины
и
смежны в
.
Кликовое расширение графа
называется
-расширением
, если для любой вершины
подграф
содержит
вершин для некоторого фиксированного
. Заметим, что если граф
не содержит 3-лап, то и
любое его кликовое расширение не содержит 3-лап.
Пусть связный граф содержит
-коклику и не содержит
-лап.
Если любой подграф из
, изоморфный
, содержится в подграфе,
изоморфном
, то
является кликовым расширением одного из следующих графов:
решетчатый
-граф при
,
;
треугольный граф
при
;
граф Шлефли.
Для удобства обозначим через класс графов, который состоит из
-графов при
,
,
треугольных графов
при
и графа Шлефли.
В теореме 1 из работы [29] М. Нуматой была получена
классификация реберно-регулярных графов,
которые не содержат 3-лап и содержат
-коклику.
Оказалось, что если такой граф имеет диаметр 2,
то он является или графом из класса
или графом
при
,
который имеет
вершин.
Следующая теорема, которая является аналогом этого результата для кореберно-регулярных графов без 3-лап, также доказывается в первой главе диссертации [53].
Пусть -- кореберно-регулярный граф без
-лап.
Тогда
является либо дополнительным графом к регулярному графу
без треугольников, либо
-расширением
одного из
следующих графов:
вполне несвязный граф с числом вершин
;
решетчатый
-граф при
;
треугольный граф
при
;
граф Шлефли.
В теореме 2 работы [29] М. Нуматой получена классификация
реберно-регулярных графов диаметра не менее 3,
которые не содержат 3-лап и
содержат -коклику. Он показал, что либо все
-подграфы такого
графа имеют не более 2 вершин, либо граф изоморфен графу
икосаэдра.
Полученные результаты служат основой для исследования графов без 3-лап с более слабыми условиями регулярности во второй главе диссертации.
Пусть пара вершин графа
, которые находятся на расстоянии 2
друг от друга. Обозначим число вершин
-подграфа для
через
. Если все
-подграфы
графа
имеют одинаковое число вершин, то есть
,
то это число называется параметром
графа
.
Понятно, что если граф имеет параметр
, то
не меньше 1.
Если граф
имеет параметр
, но его значение неизвестно,
то мы говорим, что
имеет равномощные
-подграфы.
По определению сильного графа, любая пара несмежных вершин в нем имеет одно и
то же число общих соседей. Это условие автоматически приводит к тому, что
либо диаметр сильного графа равен 2 и он имеет равномощные
-подграфы,
либо число общих соседей любой пары несмежных вершин в нем равно 0.
Таким образом, условие равномощности
-подграфов значительно
ослабляет соответствующее условие в определении сильного графа.
Вторая глава диссертации посвящена классификации
графов без 3-лап с равномощными -подграфами без ограничения на диаметр
графа.
В первом параграфе главы 2 рассматриваются регулярные графы без 3-лап с
равномощными
-подграфами, а во втором параграфе исследуются
нерегулярные графы из этого класса.
Изучение класса графов без 3-лап с
равномощными
-подграфами самая трудная и большая по объему часть работы.
Оказалось, что сильное влияние на
строение графа оказывает наличие или отсутствие в графе порожденных 4-циклов.
Графы без 4-циклов с равномощными
-подграфами изучал П. Тервиллигер
в [38]. Он доказал реберную регулярность таких графов при некоторых
дополнительных условиях, в частности, для регулярных графов диаметра 2.
Графы без порожденных 4-циклов с равномощными
-подграфами мы будем
называть графами Тервиллигера.
Следующая теорема классифицирует регулярные графы Тервиллигера без 3-лап [54].
ТЕОРЕМА 3.Связный регулярный граф Тервиллигера
без 3-лап является -расширением одного из следующих графов:
граф без
-лап с
,
граф икосаэдра.
Примеры регулярных графов без 3-лап с имеются среди графов вершин и
ребер полуправильных многогранников. Граф усеченного тетраэдра
является
-регулярным с
, но не реберно-регулярным графом.
Граф кубооктаэдра, наоборот, является реберно-регулярным
графом без 3-лап, но не является
-регулярным графом.
В следующей теореме классифицированы связные
-регулярные
графы без 3-лап [54].
Связный -регулярный граф
без
-лап либо является графом Тервиллигера, либо имеет диаметр
.
Теперь строение связных -регулярных графов определяют теорема 2
и теорема 3, поскольку в них определены графы Тервиллигера без
-лап
и кореберно-регулярные графы без 3-лап.
В следующей теореме мы не предполагаем регулярности графа, и, таким образом,
она завершает классификацию графов Тервиллигера без 3-лап [55].
Эта теорема расширяет теорему Тэйлора-Левингстона [37].
Через обозначим порожденный подграф, состоящий из вершины
и всех смежных с ней вершин.
Через
обозначим подграф
.
ТЕОРЕМА 5.Пусть -- связный граф
Тервиллигера без
-лап. Тогда либо граф
является
-расширением графа икосаэдра, либо
подграф на множестве всех вершин с некликовыми окрестностями из
является пустым, кликой или
-расширением связного
графа с
.
При условии, что граф содержит 3-коклику, удается получить полную
классификацию не только графов Тервиллигера без 3-лап, но и всех
графов без 3-лап с равномощными -подграфами [55].
ТЕОРЕМА 6. Пусть -- связный граф без
-лап,
содержащий
-коклику. Пусть также все
-подграфы из
имеют одинаковое число вершин.
Тогда либо
имеет диаметр больше двух и является графом
из заключения теоремы 5, либо граф
является
-расширением одного из следующих графов:
решетчатый
-граф при
,
;
треугольный граф
при
;
граф Шлефли.
Следующая теорема посвящена описанию графов
без 3-лап с регулярными -подграфами одинаковой ненулевой валентности.
Регулярный граф называется редуцированным,
если для любой вершины
множество
состоит из единственной вершины
.
В статье [27] А.А. Махнев перенес это понятие на класс всех графов.
Произвольный граф
называется редуцированным,
если для любой вершины
множество
состоит из единственной вершины
.
Легко видеть, что в классе регулярных графов оба определения эквивалентны.
В [27] А.А. Махнев классифицировал редуцированные графы без
3-лап с регулярными -подграфами валентности
, где
.
Мы докажем, что если
является графом без 3-лап с регулярными
-подграфами одинаковой валентности
, где
, и
для любой вершины
из
множество
совпадает с
, то и множество
состоит из единственной вершины
. Следующая теорема [43,44]
усиливает основной результат из [27].
Пусть -- связный граф, который
не содержит
-лап и содержит
-коклику и выполнены
следующие условия:
все
-подграфы из
являются регулярными
графами одинаковой валентности
для некоторого числа
;
для любой вершины
множество
состоит из единственной вершины
.
Тогда граф является треугольным графом
при
,
графом икосаэдра или графом Шлефли.
В работе [19] М.Д. Хестенс и Д.Г. Хигман отметили другой
момент, касающийся связи между теорией графов
и теорией транзитивных групп подстановок.
Пусть -- транзитивная группа подстановок на множестве
.
Тогда орбиты группы
на множестве
называются орбиталами, а их число -- рангом группы
.
Каждый орбитал
является либо симметричным, либо строго
антисимметричным. В первом случае он
определяет обыкновенный граф с множеством вершин
и множеством
ребер
. Во втором случае орбитал
имеет симметричную ему пару
и
определяет ориентированный граф.
Известно, что группа
обладает
симметричным орбиталом тогда и только тогда, когда ее порядок является
четным числом [40].
Если группа имеет ранг 3, то оба орбитала, отличные от диагонали
, являются симметричными и
определяют пару дополнительных сильно регулярных
графов. Такой сильно регулярный граф называется графом ранга 3.
В настоящее время с использованием классификации конечных простых групп
получено полное описание групп и графов ранга 3 ([9],
[25], [2], [26], [24]).
Много работ посвящено изучению транзитивных групп
подстановок без ограничений на их ранг и графов, которые определяются
их орбиталами.
В программном комплексе GAP [32] имеется специальная инструкция
EdgeOrbitGraph, которая позволяет строить граф по орбиталу заданной
транзитивной группы подстановок. При помощи этой
инструкции автором найден пример дистанционно-транзитивного
локально без 3-лап графа с несвязными окрестностями вершин.
Этот граф является локально -графом,
то есть графом, любая окрестность вершины которого является
объединением четырех решетчатых
-графов. Он
получается из наименьшего орбитала группы Хигмена-Симса при
представлении ее как транзитивной группы подстановок, действующей на классе
центральных инволюций.
С другой стороны, интересен следующий, связанный с данным, вопрос.
А именно, какими свойствами должен обладать граф, чтобы множество
его ребер оказалось орбиталом для группы подстановок, действующей
транзитивно на его вершинах (граф, изоморфный такому графу,
мы назовем орбитальным)?
Этот вопрос тесно связан с вопросом изучения групп автоморфизмов графов.
В работах [14], [15] Х. Еномото получил
характеризацию графов Хэмминга как орбитальных графов
для транзитивных групп подстановок с определенными ограничениями
на их подстепени.
Первая теорема третьей главы диссертации, опубликованная в [54],
усиливает результат Х. Еномото.
Для ее формулировки нам понадобится определение отделимого графа.
Граф назовем отделимым, если для любой вершины
из
подграф
содержит вершины
на расстоянии 2 в
и
-подграф
для любой такой пары
не пересекает
.
Пусть -- связный вполне
регулярный граф
с параметрами
,
.
Граф
отделим тогда и только тогда, когда
он является одним из следующих графов:
граф Хемминга
при
;
треугольный граф
при
;
граф Шлефли;
граф икосаэдра.
Используя классификацию реберно-регулярных
графов без 3-лап [29], М. Нумата в работе [30] получил
характеризацию
графов Грассмана и Джонсона как графов локально без 3-лап, в которых
все -подграфы являются изоморфными
реберно-регулярными графами
диаметра 2. Заметим, что если граф
удовлетворяет условию
теоремы М. Нуматы, то из последнего условия на все
-подграфы
графа
непосредственно следует реберная регулярность самого
.
Наша следующая цель получить классификацию локально без 3-лап графов
с более слабым условием на -подграфы, которое не влечет
даже регулярности графа. Это стало возможно благодаря
классификации графов без 3-лап с равномощными
-подграфами.
С помощью этой классификации мы исследуем
класс графов, в которых окрестности вершин
не содержат 3-лап и все
-подграфы являются регулярными графами
валентности
, где
.
В отличии от [30] мы не требуем даже равномощности всех
-подграфов.
Поскольку наше условие на
-подграфы не влечет регулярности графа,
то мы дополнительно накладываем на граф условие редуцированности.
Пусть -- связный граф, который
удовлетворяет следующим условиям:
окрестность любой вершины из
не содержит
-лап;
содержит
-лапу;
все
-подграфы из
являются регулярными
графами одинаковой валентности
для некоторого числа
;
для любой вершины
множество
состоит из единственной вершины
.
Тогда является локально
-графом, где
один из следующих графов:
-расширение решетчатого
-графа
при
и
,
;
треугольный граф
при
;
граф Шлефли.
Если граф является
-расширением решетчатого
-графа,
то класс локально
-графов довольно широк и труден
для изучения. Примерами таких графов являются графы Грассмана,
графы Джонсона и их частные.
Пусть является
-мерным векторным
пространством над конечным полем
.
Графом Грассмана для
-подпространств из
называется граф
с множеством вершин, равным
множеству всех подпространств размерности
из
, причем две вершины
смежны тогда и только тогда, когда
.
Если
-- конечное множество, то графом Джонсона для
-подмножеств из
называется граф с множеством вершин, равным
множеству
всех
-элементных подмножеств из
, причем две вершины
смежны тогда и только тогда, когда
.
Если множество
состоит из
элементов, то такой граф
обозначим через
. Заметим, что граф
совпадает с
треугольным графом
.
Пусть
-- некоторое разбиение множества вершин графа
на подмножества. Частным
для графа
по разбиению
называется граф на фактор-множестве по
множества вершин
,
в котором две вершины
смежны только, если
и граф
содержит ребро, которое соединяет
некоторую вершину из класса
с некоторой вершиной из класса
.
Пусть
и
является разбиением множества вершин
графа Джонсона
на двухэлементные классы, содержащие
-элементное подмножество и его дополнение в
.
Частным графа Джонсона называется граф
.
Графы Джонсона и частные графов Джонсона дают нам примеры локально
-графов. Эти примеры не исчерпывают класс таких графов.
В статье [3] построены другие примеры локально
-графов
и найдены все локально
-графы. Там же получено описание локально
-графов, в которых
каждый
-подграф является объединением изолированных четырехугольников.
Характеризация локально
-графов при
получена Дж. Холлом в
[17]. Проблема полного описания локально
-графов
для любых
остается открытой.
Мало пока известно в общем случае и о локально
треугольных графах.
Однако, если все -подграфы из
имеют диаметр 2, можно получить более точный ответ.
Пусть -- связный граф, который
удовлетворяет условиям теоремы и
все
-подграфы из
имеют диаметр 2.
Тогда
является одним из следующих графов:
граф Грассмана;
граф Джонсона или его частное;
локально
-граф при
;
граф Госсета
.
Все графы Грассмана, графы Джонсона и их частные, граф Госсета
являются дистанционно-транзитивными графами.
Заметим также, что граф системы корней (см. [5])
является локально
-графом и играет особую роль в теории графов,
у которых любое собственное значение не меньше, чем
.
По теореме А.Дж. Хоффмана [23] любой такой граф является либо
обобщенным реберным графом, либо подграфом
.
Заканчивается третья глава описанием сильно регулярных графов с
расщепляемыми окрестностями вершин.
Пусть -- некоторые множества. Скажем, что
расщепляется
и
, если
содержится в
и пересечение
пусто.
Э. Шульт в работе [33] классифицировал сильно регулярные
графы, в которых для любого ребра
найдется такая
вершина
из
, что
расщепляется
и
.
Заметим, что в этом случае
и
.
В частности, антиокрестность
расщепляется
антиокрестностями вершин
и
. В следующей теореме [52] это
условие накладывается на окрестности вершин,
причем снято ограничение на расположение вершины
.
Пусть -- сильно регулярный граф, в котором для
любого ребра
найдется такая вершина
, что
расщепляется
и
. Тогда граф
изоморфен одному из
следующих графов:
объединение
полных подграфов при
;
решетчатый
-граф при
;
пятиугольник;
сильно регулярный граф с параметрами
;
граф Шрикханде.
В последней главе диссертации изучаются некоторых теоретико-графовые свойства графов без 3-лап и их обобщений. В ней рассматривается, в частности, соотношение нижних параметров доминирования и неприводимости для графов без 3-лап и графов, все блоки которых не содержат 3-лап.
Некоторое множество вершин из графа
называется
доминирующим, если любая вершина, не принадлежащая
,
смежна не менее чем с одной вершиной из
.
Минимальное число элементов в доминирующем множестве вершин графа
обозначается через
и называется нижним
параметром доминирования графа
.
Множество всех вершин из графа
, смежных с вершиной
, вместе
с
называется замкнутой окрестностью вершины
.
Вершина
из
неприводима относительно
в
, если ее
замкнутая окрестность содержит хотя бы одну вершину, не смежную ни с какой
другой вершиной
из
. Множество вершин
называется неприводимым в
, если
все его вершины неприводимы относительно
в
.
Заметим, что если
-- минимальное доминирующее множество некоторого
графа
, то оно неприводимо в
.
Более того, множество
является
максимальным (относительно включения) неприводимым множеством графа
.
Этот факт послужил основой для введения и изучения понятия неприводимости.
Среди всех максимальных неприводимых множеств выберем множество
,
содержащее наименьшее число вершин. Число вершин в
назовем нижним параметром неприводимости для графа
и обозначим через
.
Поскольку каждое минимальное доминирующее множество является
максимальным неприводимым, то
для любого графа
.
Неравенство
было получено независимо
в [1] и [4]. Изучению параметров
доминирования и неприводимости в разных классах графов было посвящено
несколько работ (см., например, [1], [4], [12], [16],
[39]). В [12] П. Дамашке получил оценку
для случая, когда
граф
является деревом.
Этот результат был расширен Л. Фолькманом в [39]. Он доказал неравенство
в случае,
когда
является блок-графом и в случае, когда граф
содержит
не более двух циклов.
Так как по определению любой блок в блок-графе является кликой, то точки сочленения внутри любого блока смежны между собой. Граф, обладающий таким свойством, назовем кликово-сочлененным графом.
В работе [41] показано, что оценка
справедлива
для класса графов без 3-лап. Там же приводится
серия примеров, которая показывает точность этой границы даже в классе
раздуваний графов.
Продолжая это исследование, мы изучаем нижние параметры
доминирования и неприводимости в кликово-сочлененных графах, все блоки
которых являются графами без 3-лап.
В частности, покажем, что для них справедливо неравенство
.
Более точно мы доказываем следующие два утверждения [48].
Пусть -- связный
кликово-сочлененный граф и
-- максимальное неприводимое подмножество
вершин из
.
Если все блоки графа
не содержат 3-лап, то существует
доминирующее множество
для
такое, что выполнено неравенство
.
Если все блоки графа
являются реберными графами
графов без треугольников, то существует доминирующее множество
для
такое, что выполнено неравенство
.
Автор глубоко признателен профессору А.А. Махневу за дружеское участие, постоянное внимание и помощь в работе.