Pure Mathematics
Vol. 11  No. 05 ( 2021 ), Article ID: 42720 , 9 pages
10.12677/PM.2021.115107

完全图去除路P10的图谱特征

林智浩

广东技术师范大学,数学与系统科学学院,广东 广州

收稿日期:2021年4月17日;录用日期:2021年5月20日;发布日期:2021年5月27日

摘要

如果与图G同谱的所有图同构于图G,则称图G是由其图谱所决定的。设 K n \ P l 是由完全图 K n 去除图 P l 的边所得到的子图,其中图 P l 是长为 l 1 的路。Cámara和Haemers给出猜想1:对于任意的整数 l ( 2 l n ) K n \ P l 可由其邻接谱所决定。本文证明在 l = 1 0 的情况下猜想1是正确的。

关键词

图谱,同谱图,谱特征,路

Spectral Characterization of the Complete Graph by Deleting P10

Zhihao Lin

School of Mathematics and System Science, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou Guangdong

Received: Apr. 17th, 2021; accepted: May 20th, 2021; published: May 27th, 2021

ABSTRACT

A graph G is said to be determined by its spectrum if any graph having the same spectrum as G is isomorphic to G. Let K n \ P l be the graph obtained from K n by deleting edges of P l , where P l is a path of length l 1 . Cámara and Haemers conjectured that K n \ P l is determined by its adjacency spectrum for every 2 l n . In this paper, we show that the conjecture is true for l = 1 0 .

Keywords:Graph Spectrum, Cospectral Graphs, Spectral Characterization, Path

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

本文所考虑的图都是无向、有限的简单图,即是不包含环和多重边的图。图谱中的一些符号和定义,请参阅文献 [1]。

G = ( V , E ) ,其点集和边集分别记为 V ( G ) = { v 1 , v 2 , , v n } E ( G ) = { e 1 , e 2 , , e m } 。设 A ( G ) 是图G的(0, 1)邻接矩阵,图G的特征多项式记为 P G ( λ ) = det ( λ I A ( G ) ) 。图G的图谱包含了图G的所有特征值(包含重数)。如果两个图有一样的邻接谱,那么称这两个图同谱。如果任何与图G具有相同谱的图与图G同构,则称图G是由其谱所决定的(简称DS)。

图谱能够反映出图的一些有用的组合信息。图谱理论中的一个基本问题是“哪些图是DS?”。这个问题起源于化学,可以追溯到60多年前。而在近些年来,它受到了研究者的广泛关注。

然而,证明一个图是DS通常是一个非常困难的问题。到目前为止,很少有一类具有特殊结构的图被证明是DS。通常情况下,DS的图只包含有很少数的边,如T形树图 [2]、 图 [3]、棒糖图 [4] 和 θ 图 [5] 等等。对于含有大量边的稠密图,这通常很难证明他们是DS。比如在文献 [6] 中,一条路的补图 P ¯ n 被证明是DS,但是这个证明远比证明路 P n 是DS涉及的多。关于这一问题的更多背景可以参阅文献 [7] [8]。

在文献 [9] 中,Cámara和Haemers等人研究了在完全图下删除了其中的一些边后所得到的图是DS。 P l 为一条长为 l 1 的路, K n n 阶的完全图。在 K n 中删除掉路 P l 的边所得到的图记为 K n \ P l 。他们给出了以下的猜想:

猜想1 (Cámara和Haemers [9] )对于任意的整数 l 满足 0 < l n K n \ P l 是DS。

在文献 [9] 中,作者已经证明了在 l 6 时猜想1是正确的。当 n = l 时,也被证明了猜想1是正确的,这也是文献 [3] 中的主要结果。Mao,Cioabǎ和Wang在文献 [10] 中证明了当 7 l 9 时,猜想1是正确的。本文证明了在 l = 10 时,猜想1是正确,即:

定理1.1 当 l = 10 时,图 K n \ P l 是DS。

在第二部分中,将给出一些重要的引理及其证明。在第三部分中给出了定理1.1的证明。本文总结和进一步的研究问题将会在第四部分给出。

2. 一些引理的介绍和证明

在这一部分中,将给出证明定理1.1所需要的一些引理。

引理2.1 (van Dam和Haemers [7] )图G的下列性质可以从邻接谱推导出来:

1) 顶点的数量;

2) 边的数量;

3) 固定长度的闭途径数量。

引理2.2 (Mao,Cioabǎ和Wang [11] )设 N G ( H ) 为在图G中与图H同构的子图(不一定是诱导)的数目, N G ( i ) 为图G中长为i的闭途径数目。设 N H ( i ) 为经过图H所有边且长为i的闭途径数目, S i ( G ) 为图G中所有连通子图H的集合,其中 N H ( i ) 0 。这可以得出 N G ( i )

N G ( i ) = H S i ( G ) N G ( H ) N H ( i )

引理2.3 (Omidi [11] )以下给出的是图G中长为2、3、4、5的闭途径的数目:

1) N G ( 2 ) = 2 m N G ( 3 ) = 6 N G ( K 3 )

2) N G ( 4 ) = 2 m + 4 N G ( P 3 ) + 8 N G ( C 4 ) N G ( 5 ) = 30 N G ( K 3 ) + 10 N G ( C 5 ) + 10 N G ( G a )

其中m为G的边数,图 G a 为圈图 C 3 上任一个顶点加上一条边得到的图(见图2(a))。

引理2.4 (Cvetković,Doob和Sachs [1] )设图G中k-闭途径的数量为c,那么该数量可以由其邻接谱决定,即

c = λ i k

设n阶图G的邻接谱为 λ 1 λ 2 λ n ,n阶图 G 的邻接谱为 λ 1 λ 2 λ n 。众所周知,若 λ i = λ i i = 1 , 2 , , n ,那么有

i = 1 n λ i k = i = 1 n λ i k

也就是两个图的邻接谱相同,那么它们的各特征值的k次方和也相等,所以可以得到当

i = 1 n λ i k i = 1 n λ i k

则有 λ i λ i 不全相等, i = 1 , 2 , , n 。因此结合引理2.4,可以得到这么一个结论:当两个阶数相同的图的k-闭途径数量(k为正整数)不相同时,则它们的邻接谱不相同,即这两个图不同谱。引理2.5~2.7分别给出了当 k = 3 , 4 , 5 时,图G补图中k-闭途径数量的计算方法。

引理2.5 (Doob和Haemers [6] )设图G有n个顶点,m条边,t个子图 C 3 和其度序列为 d 1 , d 2 , , d n 。设 t ¯ 为图G补图的子图 C 3 数量。则有

t ¯ = ( n 3 ) ( n 1 ) m + 1 2 i = 1 n d i 2 t

引理2.6 (Cámara和Haemers [9] )设图G有n个顶点,m条边,其补图4-闭途径的数量由图G的顶点和边的数量以及图G中同构于 P 3 K 2 K 2 P 4 C 4 的子图(不一定是诱导)数量所决定,分别用 m 1 m 2 m 3 m 4 表示,以及将图 K n 中4-闭途径的数量表示为 W n = ( n 1 ) 4 + n 1 ,则图G补图中的4-闭途径数量等于

W n ( 8 n 2 32 n + 34 ) m + ( 8 n 20 ) m 1 + 16 m 2 8 m 3 + 8 m 4

其中

n : = | V ( G ) | , m : = | E ( G ) | , m 1 : = N G ( P 3 ) , m 2 : = N G ( K 2 K 2 ) , m 3 : = N G ( P 4 ) , m 4 : = N G ( C 4 ) .

研究长为5的闭途径的情况会更加的困难,将由以下引理提出。

引理2.7 (Mao,Cioabǎ和Wang [10] )设图G有n个顶点、m条边,其补图5-闭途径的数量由图G的顶点和边的数量,以及图G中同构于 s 3 K 2 K 2 P 4 K 3 P 3 K 2 K 1 , 3 P 5 G a C 5 的子图(不一定是诱导)数量所决定,分别用 m 1 m 2 m 3 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 表示,以及将图 K n 中5-闭途径的数量表示为 W n = 30 ( n 3 ) + 120 ( n 5 ) + 30 ( n 3 ) ( n 3 ) ,则图G补图中的5-闭途径数量等于

W n ( 10 n 3 50 n 2 + 90 n 60 ) m + ( 10 n 2 20 n ) m 1 + ( 40 n 120 ) m 2 ( 10 n 20 ) m 3 ( 30 n 60 ) s 1 20 s 2 30 s 3 + 10 s 4 + 10 s 5 10 s 6

其中

s 1 : = N G ( K 3 ) , s 2 : = N G ( P 3 K 2 ) , s 3 : = N G ( K 1 , 3 ) , s 4 : = N G ( P 5 ) , s 5 : = N ( G a ) G , s 6 : = N G ( C 5 ) .

设H为有 l 1 条边的简单图,下文将用 m 1 m 2 m 3 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 表示图 P l 中同构于 P 3 K 2 K 2 P 4 C 4 K 3 P 3 K 2 K 1 , 3 P 5 G a C 5 的子图数量,用 m 1 m 2 m 3 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 表示图H中同构于 K 2 K 2 P 4 C 4 K 3 P 3 K 2 K 1 , 3 P 5 G a C 5 的子图数量。

在给出和证明以下引理之前,先对几类特殊图进行符号的规定。符号 T a , b , c 表示为图1(a)所示的图例,其中a,b,c代表三条支路对应边的数量,且满足 c b a 1 ,如图1(d)表示为 T 1 , 2 , 2 。符号 T a , b , c , d 表示为图1(b)所示的图例,其中a,b,c,d代表四条支路对应边的数量,且满足 d c b a 1 ,如图1(e)表示为 T 1 , 2 , 2 , 3 。符号 Y a , b , c , d 表示为图1(c)所示图例,其中a,b,c,d代表四个位置对应边的数量,且满足 b a 1 d c 1 ,如图1(f)表示为 Y 1 , 2 , 2 , 3

Figure 1. Special graphs of several types

图1. 几类特殊图

引理2.8 (Mao,Cioabǎ和Wang [10] )以下的三类图均与图 K n \ P l 不同谱

1) 对于任意的整数 l 7 时,图 K n \ P l K n \ ( C 4 P l 4 ) 不同谱。

2) 对于任意的整数 a 1 b 2 且满足 3 a + b = l 时,图 K n \ P l K n \ ( a K 3 P b ) 不同谱。

3) 对于任意的整数 a 2 b 1 c 1 d 1 且满足 a + b + c + d = l ( l 6 ) 时,两类图 K n \ P l K n \ ( P a T b , c , d ) 不同谱。

引理2.9 对于任意的整数 a 2 b 1 c 1 d 1 且满足 a + b + c + d = l 3 ( l 10 ) 时,两类图 K n \ P l K n \ ( P a T b , c , d K 1 3 ) 不同谱。

证明:图 P l 可以直接计算得出

m 1 = l 2 , m 2 = ( l 2 ) ( l 3 ) 2 , m 3 = l 3 , m 4 = 0.

对于图 P a T b , c , d K 1 3 ,有

m 1 = l 2 , m 2 = ( l 2 ) ( l 3 ) 2 .

a + b + c + d = l 3 可得 b + c + d < l 3 ,又因为 m 3 b + c + d ,则

m 3 < l 3 , m 4 = 0.

利用引理2.6,可以直接得出,图 K n \ P l 和图 K n \ ( P a T b , c , d K 1 3 ) 可以通过4-闭途径的数量来区分。£

引理2.10 对于任意的整数 a 1 4 b 7 且满足 2 a + b = l 2 ( l 9 ) 时,两类图 K n \ P l K n \ ( a P 3 T b P 2 ) 不同谱,其中图 T b 表示为含有b条边的树。

证明:图 P l 可以直接计算得出

m 1 = l 2 , m 2 = ( l 2 ) ( l 3 ) 2 , m 3 = l 3 , m 4 = 0.

对于图 a P 3 T 4 P 2 a P 3 T 5 P 2 a P 3 T 6 P 2 a P 3 T 7 P 2 ,有

m 1 = l 2 , m 2 = ( l 2 ) ( l 3 ) 2 , m 3 l 3 , m 4 = 0.

P l 和图 a P 3 T b P 2 在n个顶点下的补图分别为图 K n \ P l 和图 K n \ ( a P 3 T b P 2 ) ,由引理2.6可知,这两类图可以通过4-闭途径的数量来区分,则不同谱。 £

引理2.11 (Mao,Cioabǎ和Wang [10] )设图 K n \ H 与图 K n \ P l 同谱,则图H中子图 C 3 数量 t 为偶数。

引理2.12 (Mao,Cioabǎ和Wang [10] )设图 K n \ H 与图 K n \ P l 同谱。那么图H有以下三个性质。

1) 除了 C 3 C 4 ,图H的任何部分都不是圈。

2) 图H不包含两个不相交的圈 C k C s

3) 除了 P 3 之外,图H包含两条长度不相等的路径。

3. 定理1.1的证明

设图 G = P l + ( n l ) K 1 K n \ P l 的补图,则图G有n个顶点, l 1 条边,不含子图 C 3 ,并且其度序列为 { 0 n l , 1 2 , 2 l 2 } 。因此, K n \ P l 中的子图 C 3 数量 t ¯

t ¯ = ( n 3 ) ( n 2 ) ( l 1 ) + l 2 = ( n 3 ) ( n 1 ) ( l 1 ) + 1 2 ( 4 l 6 ) .

设图 Γ = H + ( n | V ( H ) | ) K 1 K n \ H 的补图,则其有n个顶点, l 1 条边, t 个子图 C 3 ,度序列为 { 0 n i = 1 k x i , 1 x 1 , 2 x 2 , , k x k } 。那么图 K n \ H 中子图 C 3 数量 t ¯

t ¯ = ( n 3 ) ( n 1 ) ( l 1 ) + 1 2 i = 1 k ( i 2 x i ) t .

设图 K n \ H 和图 K n \ P l 同谱,则两图含有相同数量的子图 C 3 。而且由于删去了相同数量的边,那么删去的度数也是相等。因此有

i = 1 k i x i = 2 l 2 , i = 1 k i 2 x i = 4 l 6 + 2 t . (1)

定理1.1的证明:当 l = 10 时,图H含有9条边,其最多含有7个子图 C 3 ,则有

0 t 7 . (2)

l = 10 t = 7 时,有 i = 1 k i 2 x i = 4 l 6 + 2 t = 48 ,当 k = 7 时不成立,所以k最大取6,则有

0 k 6 . (3)

对于 x i ( i = 1 , 2 , , 6 ) 取值范围确定,当 l = 10 时,由

i = 1 k i x i = 2 l 2 = 18

i = 1 k i 2 x i = 4 l 6 + 2 t = 34 + 2 t ,

可以得到

0 x i min { 18 i , 34 + 2 t i 2 } . (4)

结合式子(1)-(4),及Matlab计算,可以得到组合 { t , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 } 的所有情况如下:

{ 0 , 2 , 8 , 0 , 0 , 0 , 0 } , { 0 , 5 , 5 , 1 , 0 , 0 , 0 } , { 0 , 8 , 2 , 2 , 0 , 0 , 0 } , { 0 , 10 , 2 , 0 , 1 , 0 , 0 } , { 1 , 0 , 9 , 0 , 0 , 0 , 0 } ,

{ 1 , 3 , 6 , 1 , 0 , 0 , 0 } , { 1 , 6 , 3 , 2 , 0 , 0 , 0 } , { 1 , 8 , 3 , 0 , 1 , 0 , 0 } , { 1 , 9 , 0 , 3 , 0 , 0 , 0 } , { 1 , 11 , 0 , 1 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 2 , 1 , 7 , 1 , 0 , 0 , 0 } , { 2 , 4 , 4 , 2 , 0 , 0 , 0 } , { 2 , 6 , 4 , 0 , 1 , 0 , 0 } , { 2 , 7 , 1 , 3 , 0 , 0 , 0 } , { 2 , 9 , 1 , 1 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 2 , 13 , 0 , 0 , 0 , 1 , 0 } , { 3 , 2 , 5 , 2 , 0 , 0 , 0 } , { 3 , 4 , 5 , 0 , 1 , 0 , 0 } , { 3 , 5 , 2 , 3 , 0 , 0 , 0 } , { 3 , 7 , 2 , 1 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 3 , 11 , 1 , 0 , 0 , 1 , 0 } , { 4 , 0 , 6 , 2 , 0 , 0 , 0 } , { 4 , 2 , 6 , 0 , 1 , 0 , 0 } , { 4 , 3 , 3 , 3 , 0 , 0 , 0 } , { 4 , 5 , 3 , 1 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 4 , 6 , 0 , 4 , 0 , 0 , 0 } , { 4 , 8 , 0 , 2 , 1 , 0 , 0 } , { 4 , 9 , 2 , 0 , 0 , 1 , 0 } , { 4 , 10 , 0 , 0 , 2 , 0 , 0 } , { 5 , 0 , 7 , 0 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 5 , 1 , 4 , 3 , 0 , 0 , 0 } , { 5 , 3 , 4 , 1 , 1 , 0 , 0 } , { 5 , 4 , 1 , 4 , 0 , 0 , 0 } , { 5 , 6 , 1 , 2 , 1 , 0 , 0 } , { 5 , 7 , 3 , 0 , 0 , 1 , 0 } ,

{ 5 , 8 , 1 , 0 , 2 , 0 , 0 } , { 5 , 10 , 0 , 1 , 0 , 1 , 0 } , { 6 , 1 , 5 , 1 , 1 , 0 , 0 } , { 6 , 2 , 2 , 4 , 0 , 0 , 0 } , { 6 , 4 , 2 , 2 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 6 , 5 , 4 , 0 , 0 , 1 , 0 } , { 6 , 6 , 2 , 0 , 2 , 0 , 0 } , { 6 , 8 , 1 , 1 , 0 , 1 , 0 } , { 7 , 0 , 3 , 4 , 0 , 0 , 0 } , { 7 , 2 , 3 , 2 , 1 , 0 , 0 } ,

{ 7 , 3 , 0 , 5 , 0 , 0 , 0 } , { 7 , 3 , 5 , 0 , 0 , 1 , 0 } , { 7 , 4 , 3 , 0 , 2 , 0 , 0 } , { 7 , 5 , 0 , 3 , 1 , 0 , 0 } , { 7 , 6 , 2 , 1 , 0 , 1 , 0 } ,

{ 7 , 7 , 0 , 1 , 2 , 0 , 0 } , { 7 , 12 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 } .

有这样一组参数 { t , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 } ,如果存在一个与该参数相同的图,那么称这组参数为该图的图解。实际上,并不是所有的这些参数组合都是图解,有部分是不符合图条件要求的。并且这些有效的图解中可能存在多个图的表示。如表1所示,这里只给出有效图解的组合和其相对应的图(表1中相关的子图见图2)。

根据引理2.8~2.12,除了图 Y 1 , 1 , 1 , 1 2 P 3 2 T 1 , 1 , 2 P 2 、和 G d 2 P 3 以外,这里剩余的所有图的 K n \ H 都与 K n \ P 10 不同谱。接下来将计算在这三个图中4-闭途径的数量,并在表2中给出它们各子图的数量。

对于图 P 10 ,直接计算得

m 1 = l 2 = 8 , m 2 = ( l 2 ) ( l 3 ) 2 = 28 , m 3 = l 3 = 7 , m 4 = 0.

Table 1. Complements of all possible K n   \ H of the same spectrum as K n   \ P 10

表1. 所有可能与 K n \ P 10 同谱的 K n \ H 的补图

Table 2. The number of related subgraphs of H

表2. 图H的相关子图数量

通过表2中图H与图 P 10 的各子图数量对比,以及引理2.6,则这三个图作为H时,图 K n \ H 与图 K n \ P 10 有不同数量的4-闭途径,因此它们不同谱。综上所述,证得图 K n \ P 10 是DS。定理1.1得证。 £

Figure 2. Some related subgraphs

图2. 文中涉及到的一些相关子图

4. 小结

在本文中,主要利用图 K n \ P l 的邻接谱性质,通过对与图 K n \ P l 可能同谱的图做详细的分类,并且计算图的4-闭途径和5-闭途径的数量是否相同,来得到他们是否同谱,从而证明在l取值较小的情况下图 K n \ P l 是DS。但在取较大值的l时,与 K n \ P l 可能同谱的图的详细分类会非常的复杂和繁琐,运用以上的方法是不理想的。因此,要证明猜想1在一般情况是正确,需要新的方法和工具。

致谢

感谢审稿人对本文提出的修改意见,并感谢游志福教授在本篇文章的写作过程中给予指导。

文章引用

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