笛卡尔积图的f-点稳定数
The f-Vertex Stability Number of Cartesian Product Graphs
DOI: 10.12677/aam.2024.1312517, PDF, HTML, XML,    国家自然科学基金支持
作者: 肖李宵, 买吐肉孜·买司地克*:新疆师范大学数学科学学院,新疆 乌鲁木齐
关键词: 笛卡尔积图不变量点稳定数Cartesian Product Graph Invariant Vertex Stability Number
摘要: 图的不变量点稳定数是最近的热点问题之一,它被应用于设计算法解决图论的某些特定问题。设 f 是图不变量,图 G f -点稳定数 v s f ( G ) 定义为使得 f( G V )f( G ) 成立的最小点子集 V 的基数。在本文中,通过不变量 f 的性质,讨论笛卡尔积图的 f -点稳定数的界。
Abstract: The invariant vertex stability number of graph is one of the recent hot topics, which is applied to design algorithms to solve certain problems in graph theory. Let f be an invariant of graphs, and the f -vertex stability number v s f ( G ) of a graph G is defined as the cardinality of the minimum vertex subset V such that f( G V )f( G ) . In this paper, we discuss the bounds of the f -vertex stability number for Cartesian product graphs through the properties of the invariant f .
文章引用:肖李宵, 买吐肉孜·买司地克. 笛卡尔积图的f-点稳定数[J]. 应用数学进展, 2024, 13(12): 5350-5357. https://doi.org/10.12677/aam.2024.1312517

1. 引言

本文考虑有限简单图 G=( V,E ) ,同时假设图不变量f是一个非负实函数。图不变量是指图在同构条件下仍然保持不变的一种性质,它往往和图的自身结构和特征有关,不依赖于图的某一种表示。研究图不变量不仅可以让我们深刻理解图的结构特性,还能借此设计算法用于解决图论当中各种各样的问题。文献[1]-[4]中发现对给定图的不变量稳定数,可以通过删除点,删除边,增加点以及增加边的方式进行改变。Haynes [3]等人通过对图G进行删点,删边和加边的方式考虑不变量是否改变,给出了最大度 Δ( G ) ,最小度 δ( G ) ,独立数 α( G ) 等不变量的一般性结论。Bauer [4]等人给出了使得图的独立数增加或减少的条件,同时对图的f-边稳定数 e s f ( G ) 进行了定义,即在图G中能找到一个最小的边集 E 使得 f( G E )f( G ) ,则有 e s f ( G )=| E | 。Kemnitz [5] [6]等人对色束缚数和边色数相等的图进行考虑,并给出了一般性结论,其中色束缚数指的是任意两个色类之间的最小边数,给出了f-边稳定数上界和下界的一般性结论,考虑了当图G满足 f= χ ( G ) 时特定图类的色边稳定数。Akbari [7]等人在图G满足

χ( G ){ Δ( G ),Δ( G )+1 }

的条件下证明了

v s χ ( G )=iv s χ ( G )

其中 iv s χ ( G ) 是独立色点稳定数,即使得色数 χ( G ) 改变的独立集的最小点数;同时也给出了当图G满足

χ( G ) Δ( G )+1 2

则有 v s χ ( G )=e s χ ( G ) 成立。

文献[8] [9]中根据图的最大度给出了图G边色稳定数的严格上界,并考虑了 e s χ ( G )=1 的图和k小于等于5的k正则图的特征描述。Kemnitz and Marangio [10]给出了一些关于f-点稳定数的一般性结论,并利用f-点稳定数对著名的Gallai定理进行了证明,同时关注了色数这一结构参数,通过一系列的图确定了色数点稳定数,其次考虑了色边稳定数和色点稳定数的关系,证明了它们的差和比率可以变成任意大。

本文利用图不变量f的性质,如可加性,可乘性等,进一步给出了笛卡尔积图f-点稳定数的相关结论,在不同条件下,通过f-点稳定数探究了笛卡尔积图与子图之间的关系。第二部分给出了定理证明需要的相关引理以及相关的定义。第三部分给出了笛卡尔积图f-点稳定数的界。

2. 相关定义和引理

定义2.1 [5]. 设图 G= H 1 H 2 H 1 H 2 是两个互不相交的图。若不变量f满足

f( G )=f( H 1 H 2 )=f( H 1 )+f( H 2 )

则称不变量f具有可加性。

定义2.2. 设图 G= H 1 H 2 H 1 H 2 是两个互不相交的图。若不变量f满足

f( G )=f( H 1 H 2 )=f( H 1 )f( H 2 )

则称不变量f具有可乘性。

定义2.3 [5]. 设图 G= H 1 H 2 H 1 H 2 是两个互不相交的图。若不变量f满足

f( G )=f( H 1 H 2 )=max{ f( H 1 ),f( H 2 ) }

则称不变量f具有最大性。

定义2.4. 设图 G= H 1 H 2 H 1 H 2 是两个互不相交的图。若不变量f满足

f( G )=f( H 1 H 2 )=min{ f( H 1 ),f( H 2 ) }

则称不变量f具有最小性。

定义2.5. 设图的f-点稳定数 v s f ( G ) 定义为

v s f ( G )={ ,f( G V )=f( G ) V V( G ); min{ | V |: V V( G )f( G V )f( G ) },.

引理2.6 [10]. 若 V 是图G的一个点子集,则有

v s f ( G )| V |+v s f ( G V )

定义2.7. 设图H是图G的一个子图,f是一个图不变量,若有

f( G )f( H )

则称不变量f是单调递增的;反之,则称不变量f是单调递减的。

定义2.8 [11]. G 1 , G 2 是两个简单图,图G是由 G 1 G 2 构成的笛卡尔积图,记作

G= G 1 G 2

其中,定义图G顶点集为

V( G )=V( G 1 )×( G 2 )

其边集为

E( G )={ ( u 1 , v 1 )( u 2 , v 2 ): u 1 = u 2 v 1 v 2 E( G 2 ) v 1 = v 2 u 1 u 2 E( G 1 ) }

3. 笛卡尔积图的f-点稳定数的界

定理3.1. H 1 , H 2 是两个互不相交的图, G= H 1 H 2 且不变量f满足可加性。若图G中存在一个点集 V 使得 G V = H i G i=1,2 ,则有

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

证明 若图 H i ( i=1,2 ) 中找不到任何点集使得 f( H i ) 改变,由定义可知 v s f ( H i )= ,结论显然成立。

v s f ( H 1 )=min{ v s f ( H 1 ):i=1,2 }

V V( H 1 ) 是图 H 1 的一个点子集,使得 v s f ( H 1 )=| V | ,则有

f( H 1 V )f( H 1 )

现设图G存在一个点子集 V G V = H 1 G ,根据不变量f的可加性条件,得到

f( G V V )=f( ( H 1 V ) G )=f( H 1 V )+f( G ) f( H 1 )+f( G )=f( H 1 G ) =f( G V )

由定义可知

v s f ( G V )| V |=v s f ( H 1 )

根据引理2.6有

v s f ( G )v s f ( G V )+| V |v s f ( H 1 )+| V |

同理当 G V = H 2 G 时,有

v s f ( G )v s f ( G V )+| V |v s f ( H 2 )+| V |

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 } 。 □

定理3.2. H 1 , H 2 是两个互不相交的图, G= H 1 H 2 ,不变量f满足可乘性且非零。若图G中存在一个点集 V 使得 G V = H i G i=1,2 ,则有

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

证明 v s f ( H i )= i=1,2 ,则结论显然成立。

现证 v s f ( H i )< 的情况,令

v s f ( H 1 )=min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

若存在点子集 V V( H 1 ) ,使得 v s f ( H 1 )=| V | ,则

f( H 1 V )f( H 1 )

由于图G H 1 , H 2 构成的笛卡尔积图,存在一个点子集 V V( G ) ,使得 G V = H 1 G 。根据不变量f的可乘性条件且非零,则

f( G V V )=f( ( H 1 V ) G )=f( H 1 V )f( G ) f( H 1 )f( G )=f( H 1 G ) =f( G V )

由定义可知

v s f ( G V )| V |=v s f ( H 1 )

根据引理2.6有

v s f ( G )v s f ( G V )+| V |v s f ( H 1 )+| V |

同理当

v s f ( H 2 )=min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

v s f ( G )v s f ( G V )+| V |v s f ( H 2 )+| V |

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 } 。 □

定理3.3. H 1 , H 2 是两个互不相交的图, G= H 1 H 2 ,不变量f满足最大性。若图G中存在一个点集 V 使得 G V = H i G f( H i )>f( G ) i=1,2 ,则有

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

证明 根据引理2.6有

v s f ( G )v s f ( G V )+| V |

只需证

v s f ( G V )min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

v s f ( H i )= i=1,2 ,结论显然成立。

现设

min{ v s f ( H i ):i=1,2 }=v s f ( H 1 )

V 是图 H 1 的点子集,使得 v s f ( H 1 )=| V | ,则有

f( H 1 V )f( H 1 )

又根据不变量f的最大性条件,有

f( G V )=f( H 1 G )=max{ f( H 1 ),f( G ) }=f( H 1 ) max{ f( H 1 V ),f( G ) } =f( G V V )

由定义可得

v s f ( G V )| V |=v s f ( H 1 )

同理当

min{ v s f ( H i ):i=1,2 }=v s f ( H 2 )

v s f ( G V )| V |=v s f ( H 2 )

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 } 。 □

定理3.4. H 1 , H 2 是两个互不相交的图, G= H 1 H 2 ,不变量f满足最小性。若图G中存在一个点集 V 使得 G V = H i G f( H i )<f( G ) i=1,2 ,则有

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 }

证明 v s f ( H i )= i=1,2 ,则结论成立。

设存在 v s f ( H i )< ,可以令

min{ v s f ( H i ):i=1,2 }=v s f ( H 1 )

V 是一个点子集且 V V( H 1 ) ,使得 v s f ( H 1 )=| V | ,则有

f( H 1 V )f( H 1 )

根据不变量f的最小性条件,有

f( G V )=f( H 1 G )=min{ f( H 1 ),f( G ) }=f( H 1 ) min{ f( H 1 V ),f( G ) } =f( G V V )

因此,可得

v s f ( G V )| V |=v s f ( H 1 )

同理当

min{ v s f ( H i ):i=1,2 }=v s f ( H 2 )

v s f ( G V )| V |=v s f ( H 2 )

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H i ):i=1,2 } 。 □

通过上述定理可知,我们考虑的是两个不交图构成的笛卡尔积图,由此可以推广到多个不交图所构成的笛卡尔积图的f-点稳定数。

定理3.5. 设不变量f满足可加性且非零, G 1 = H 11 H 12 H 1n G 2 = H 21 H 22 H 2m n,m 是正整数,并且它们的子图都是互不相交的。令 G= G 1 G 2 ,若图G存在一个点子集 V 使得 G V = G t G t=1,2 ,则有

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H tk ),| V( H tk ) |,v s f ( G ),| V( G ) |:t=11knt=21km }

证明 根据引理2.6,只需证

v s f ( G V )min{ v s f ( H tk ),| V( H tk ) |,v s f ( G ),| V( G ) |:t=11knt=21km }

t=1 时,有

G V = G 1 G

v s f ( H 1n )< v s f ( G )< ,令

min{ v s f ( H tk ),| V( H tk ) |,v s f ( G ),| V( G ) |:t=11knt=21km }=v s f ( H 1k )

其中 1kn ,令 V 是一个点子集且 V V( H 1k ) ,使得 v s f ( H 1k )=| V | ,则有

f( H 1k V )f( H 1k )

又根据不变量f的可加性条件,得

f( G V V )=f( H 11 )+f( H 12 )++f( H 1k V )++f( H 1n )+f( G ) f( H 11 )+f( H 12 )++f( H 1k )++f( H 1n )+f( G ) =f( G V )

由定义有

v s f ( G V )| V |=vs( H 1k )

min{ v s f ( H tk ),| V( H tk ) |,v s f ( G ),| V( G ) |:t=11knt=21km }=| V( H 1k ) |

其中 1kn ,则 v s f ( H 1k )= 。不变量f满足可加性且不为零,有

f( G V V( H 1i ) )=f( H 11 )+f( H 12 )++f( H 1k1 )+f( H 1k+1 )++f( G ) f( H 11 )+f( H 12 )++f( H 1k )++f( G ) =f( G V )

v s f ( G V )| V( H 1k ) |

同理,当 t=2

min{ v s f ( H tk ),| V( H tk ) |,v s f ( G ),| V( G ) |:t=11knt=21km} }=min{ v s f ( G ),| V( G ) | }

v s f ( G V )min{ | V( H 2k ) |,v s f ( H 2k ) } v s f ( G V )min{ v s f ( G ),| V( G ) | }

根据引理2.6,则有

v s f ( G )| V |+min{ v s f ( H tk ),| V( H tk ) |,v s f ( G ),| V( G ) |:t=11knt=21km } 。 □

定理3.6. 设不变量f单调递增且满足最大性, G 1 = H 11 H 12 H 1n G 2 = H 21 H 22 H 2m n,m 是正整数,它们的子图都互不相交。令 G= G 1 G 2 ,存在一个点子集 V V( G ) 使得 G V = G t G t=1,2 ,且 f( G V )f( G ) 。若 f( H ts )=f( G V ) s,l 是正实数且 1sl<n m,则有

v s f ( G )| V |+ s=1 l min{ v s f ( H ts ),| V( H ts ) | }

证明 根据引理2.6,只需证

v s f ( G V ) s=1 l min{ v s f ( H ts ),| V( H ts ) | }

t=1 时,令 V 是一个点子集且 V V( G ) ,使得

G V = G 1 G = H 11 H 12 H 1n G

设图 H 1s 是图 G V 的子图, s=1,2,,l ,当 v s f ( H 1s )= 时,令

Y s =V( H 1s )

v s f ( H 1s )< 时,存在一个点子集 Y s V( H 1s ) 使得 | Y s |=v s f ( H 1s ) ,令

f( H 1s Y s )f( H 1s )

T是一个点子集且 TV( G V ) ,使得 T= Y 1 Y 2 Y l ,则

| T |= s=1 l min{ v s f ( H 1s ),| V( H 1s ) | }

根据不变量f的单调递增且满足最大性条件,有

f( G V T )=max{ f( H 11 Y 1 ),f( H 12 Y 2 ),,f( H 1l Y l ),f( H 1l+1 ),,f( H 1n ),f( G ) } max{ f( H 11 ),f( H 12 ),,f( H 1l ),f( H 1l+1 ),,f( H 1n ),f( G ) } =f( G V )

由定义得

v s f ( G V )| T |= s=1 l min{ v s f ( H 1s ),| V( H 1s ) | }

t=2 时,同理可得

v s f ( G V )| T |= s=1 l min{ v s f ( H 2s ),| V( H 2s ) | }

根据引理2.6有

v s f ( G )| V |+v s f ( G V )| V |+ s=1 l min{ v s f ( H ts ),| V( H ts ) | } 。 □

4. 总结

本文通过图不变量的性质,研究了笛卡尔积图不变量点稳定数的界。近些年,关于不变量稳定数的研究也是热点问题之一,本文丰富了在笛卡尔积图方面的研究成果。目前关于图的不变量稳定数有较多结论,如图的色点稳定数、色边稳定数等,本文只考虑了笛卡尔积图不变量点稳定数,相对应的笛卡尔积图不变量边稳定数也可以进行研究。

基金项目

新疆自然科学基金项目(2024D01A89, 2022D03002);国家自然科学基金地区科学基金项目(11961070)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

[1] Staton, W. (1980) Edge Deletions and the Chromatic Number. Ars Combinatoria, 10, 103-106.
[2] Harary, F. (1982) Changing and Unchanging Invariants for Graphs. Bulletin of the Malaysian Mathematical Sciences Society, 5, 73-78.
[3] Haynes, T.W., Lawson, L.M., Brigham, R.C. and Dutton, R.D. (1990) Changing and Unchanging of the Graphical Invariants: Minimum and Maximum Degree, Maximum Clique Size, Node Independence Number and Edge Independence Number. Congressus Numerantium, 72, 239-252.
[4] Bauer, D., Harary, F., Nieminen, J. and Suffel, C.L. (1983) Domination Alteration Sets in Graphs. Discrete Mathematics, 47, 153-161.
https://doi.org/10.1016/0012-365x(83)90085-7
[5] Kemnitz, A. and Marangio, M. (2019) On the Rho-Edge Stability Number of Graphs. Discussiones Mathematicae Graph Theory, 42, 249-262.
https://doi.org/10.7151/dmgt.2255
[6] Kemnitz, A., Marangio, M. and Movarraei, N. (2018) On the Chromatic Edge Stability Number of Graphs. Graphs and Combinatorics, 34, 1539-1551.
https://doi.org/10.1007/s00373-018-1972-y
[7] Akbari, S., Beikmohammadi, A., Klavžar, S. and Movarraei, N. (2022) On the Chromatic Vertex Stability Number of Graphs. European Journal of Combinatorics, 102, Article ID: 103504.
https://doi.org/10.1016/j.ejc.2021.103504
[8] Akbari, S., Klavžar, S., Movarraei, N. and Nahvi, M. (2020) Nordhaus-Gaddum and Other Bounds for the Chromatic Edge-Stability Number. European Journal of Combinatorics, 84, Article ID: 103042.
https://doi.org/10.1016/j.ejc.2019.103042
[9] Huang, S., Klavžar, S., Lei, H., Lian, X. and Shi, Y. (2022) Some Extremal Results on the Chromatic Stability Index. Bulletin of the Australian Mathematical Society, 106, 185-194.
https://doi.org/10.1017/s0004972722000168
[10] Kemnitz, A. and Marangio, M. (2024) On the Vertex Stability Numbers of Graphs. Discrete Applied Mathematics, 344, 1-9.
https://doi.org/10.1016/j.dam.2023.11.008
[11] Klavžar, S. (2000) Product Graphs: Structure and Recognition. Wiley.