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.