Orientovaný matroid - Oriented matroid - Wikipedia
An orientovaný matroid je matematický struktura který abstrahuje vlastnosti řízené grafy, vektor uspořádání nad objednanými poli a uspořádání nadroviny přes seřazená pole.[1] Pro srovnání, obyčejný (tj. Neorientovaný) matroid abstrakty závislost vlastnosti, které jsou společné oběma grafy, které nemusí být nutně režie, a uspořádání vektorů nad pole, které nemusí být nutně objednal.[2][3]
Všechny orientované matroidy mají podklad matroid. Výsledky na běžných matroidech lze tedy použít na orientované matroidy. Nicméně konverzovat je nepravdivé; některé matroidy se nemohou stát orientovaným matroidem orientace podkladová struktura (např. obvody nebo nezávislé sady).[4]Rozdíl mezi matroidy a orientovanými matroidy je popsán dále níže.
Matroidy jsou často užitečné v oblastech, jako je teorie dimenzí a algoritmy Z důvodu zahrnutí dalších podrobností o orientované povaha struktury, její užitečnost sahá dále do několika oblastí včetně geometrie a optimalizace.
Pozadí
Za účelem abstrakce pojmu orientace na okrajích grafu k množinám potřebujete schopnost přiřadit „směr“ prvkům množiny. Toho bylo dosaženo pomocí následující definice podepsané sady.
- A podepsaná sada, kombinuje sadu objektů s oddílem této sady do dvou podmnožin: a .
- Členové se nazývají pozitivní prvky; Členové jsou negativní prvky.
- Sada se nazývá Podpěra, podpora z .
- The prázdná podepsaná sada, , je definována jako prázdná množina v kombinaci s jeho „oddílem“ do dvou prázdných sad: a .
- Podepsaná sada je naproti z , tj., , právě když a
Vzhledem k prvku podpory , budeme psát pro pozitivní prvek a pro negativní prvek. Tímto způsobem podepsaná sada právě přidává záporná znaménka k rozlišujícím prvkům. To bude mít smysl jako „směr“, pouze když vezmeme v úvahu orientace větších struktur. Znaménko každého prvku pak zakóduje jeho směr vzhledem k této orientaci.
Axiomatizace
Stejně jako běžné matroidy, několik ekvivalentů soustavy axiomů existovat. (Takové struktury, které mají několik ekvivalentních axiomatizací, se nazývají kryptomorfní.)
Obvodové axiomy
Nechat být libovolnou sadou. Odkazujeme na jako pozemní souprava. Nechat být sbírkou podepsané sady, z nichž každý je podporováno podmnožinou .Pokud platí následující axiomy pro , potom ekvivalentně je sada podepsané obvodypro orientovaný matroid na .
- (C0)
- (C1) (symetrický)
- (C2) (neporovnatelný)
- (C3) (slabá eliminace)
Vektorové axiomy
The složení podepsaných sad a je podepsaná sada definován , , a . The vektory orientovaného matroidu jsou skladby obvodů. Vektory orientovaného matroidu splňují následující axiomy:
- pro všechny ,
- pro všechny , a , tady je , takový, že
- ,
- , a
- .
Chirotopové axiomy
Nechat být jako výše. Pro každé nezáporné celé číslo , a chirotope hodnosti je funkce který splňuje následující axiomy:
- (B0) (netriviální): není identicky nula
- (B1) (střídavě): Pro všechny permutace a , , kde je podepsat permutace.
- (B2) (výměna): Pro všechny takhle pro každého , pak také máme .
Termín chirotop je odvozeno z matematické představy chirality, což je koncept vycházející z chemie, kde se používá k rozlišení molekul, které mají stejnou strukturu s výjimkou odrazu.
Rovnocennost
Každý chirotop hodnosti dává vzniknout množině základů matroidu skládající se z těch - prvek to podmnožiny přiřadí nenulovou hodnotu.[5] Chirotop pak může podepsat obvody tohoto matroidu. Li je tedy obvod popsaného matroidu kde je základ. Pak lze podepsat pozitivními prvky
a negativní prvky doplňkem. Chirotop tedy vede k orientované základny orientovaného matroidu. V tomto smyslu je (B0) neprázdný axiom pro báze a (B2) je vlastnost směny základny.
Příklady
Orientované matroidy jsou často představovány (např.Bachem a Kern) jako abstrakce pro směrované grafy nebo systémy lineárních nerovností. Níže jsou uvedeny explicitní konstrukce.
Směrované grafy
Vzhledem k digraf, definujeme podepsaný obvod ze standardu obvod následující metodou. Podpora podepsaného obvodu je standardní sada hran v minimálním cyklu. Jdeme po cyklu ve směru hodinových ručiček nebo proti směru hodinových ručiček a přiřadíme ty hrany, jejichž orientace souhlasí se směrem, kladným prvkům a ty hrany, jejichž orientace nesouhlasí se směrem k negativním prvkům . Li je množina všech takových , pak je sada signovaných obvodů orientovaného matroidu na množině okrajů směrovaného grafu.
Pokud vezmeme v úvahu směrovaný graf vpravo, pak vidíme, že existují pouze dva obvody, a to a . Pak existují pouze čtyři možné obvody se znaménkem, které odpovídají orientaci ve směru a proti směru hodinových ručiček , , , a . Tyto čtyři sady tvoří množinu podepsaných obvodů orientovaného matroidu na množině .
Lineární algebra
Li je jakákoli konečná podmnožina , pak sada minimálních lineárně závislých sad tvoří obvodovou sadu matroidu . Rozšířit tuto konstrukci na orientované matroidy pro každý okruh existuje minimální lineární závislost
s . Pak podepsaný obvod má pozitivní prvky a negativní prvky . Soubor všech takových tvoří množinu podepsaných obvodů orientovaného matroidu . Orientované matroidy, které lze realizovat tímto způsobem, se nazývají reprezentativní.
Vzhledem ke stejné sadě vektorů můžeme definovat stejně orientovaný matroid s chirotopem . Pro všechny nechat
kde pravá strana rovnice je znaménkem určující. Pak je chirotop stejného orientovaného matroidu na scéně .
Uspořádání nadroviny
Skutečné uspořádání nadroviny je konečná sada hyperplánů v , z nichž každý obsahuje původ. Výběrem jedné strany každé nadroviny jako kladné strany získáme uspořádání poloprostorů. Uspořádání polovičního prostoru rozkládá okolní prostor na konečnou sbírku buněk, z nichž každá je definována na které straně každé nadroviny přistává. To znamená, přiřadit každý bod k podepsané sadě s -li je na pozitivní straně a -li je na negativní straně . Tato kolekce podepsaných sad definuje množinu covektorů orientovaného matroidu, které jsou vektory dvojitě orientovaného matroidu.[6]
Konvexní mnohostěn
Günter M. Ziegler zavádí orientované matroidy prostřednictvím konvexních polytopů.
Výsledek
Orientovatelnost
Standardní matroid se nazývá orientovatelný pokud jsou jeho obvody podporou podepsaných obvodů nějakého orientovaného matroidu. Je známo, že všechny skutečné reprezentovatelné matroidy jsou orientovatelné. Je také známo, že třída orientovatelných matroidů je uzavřena nezletilí, nicméně seznam zakázané nezletilé pro orientovatelné matroidy je známo, že je nekonečný.[7] V tomto smyslu jsou orientované matroidy mnohem přísnější formalizace než běžné matroidy.
Dualita
Stejně jako matroidy mají jedinečné dvojí, orientované matroidy mají jedinečné ortogonální dvojí. To znamená, že podkladové matroidy jsou dvojí a že obvody jsou podepsány tak, aby byly ortogonální do každého okruhu. Říká se, že jsou dvě podepsané sady ortogonální pokud je průsečík jejich podpor prázdný nebo pokud omezení jejich kladných prvků na křižovatku a negativních prvků na křižovatku tvoří dvě neidentické a protilehlé sady se znaménky. Existence a jedinečnost duální orientovaného matroidu závisí na skutečnosti, že každý podepsaný obvod je kolmý ke každému podepsanému obvodu.[8] Abyste pochopili, proč je ortogonalita nezbytná pro jedinečnost, stačí se podívat na výše uvedený příklad digrafu. Víme, že pro planární grafy je duál matroidu obvodu matroid obvodu grafu planární duální. Existuje tedy tolik různě orientovaných matroidů, které jsou dvojí, protože existuje způsob, jak orientovat graf a jeho dvojí.
Chcete-li vidět explicitní konstrukci tohoto jedinečného ortogonálního dvojího orientovaného matroidu, zvažte chirotop orientovaného matroidu . Pokud vezmeme v úvahu seznam prvků jako cyklickou permutaci pak definujeme být znamením související permutace. Li je definován jako
pak je chirotop jedinečného ortogonálního duálního matroidu.[9]
Topologická reprezentace
Ne všechny orientované matroidy jsou reprezentovatelné - to znamená, že ne všechny mají realizace jako bodové konfigurace nebo ekvivalentní uspořádání nadroviny. V určitém smyslu se však všechny orientované matroidy blíží tomu, aby realizace byly uspořádání nad rovinou. Zejména Věta o topologické reprezentaci Folkman – Lawrence uvádí, že jakýkoli orientovaný matroid má realizaci jako uspořádání pseudosfér. A -dimenzionální pseudosféra je vložení takové, že existuje homeomorfismus aby vloží jako rovník . V tomto smyslu je pseudosféra jen a krotit koule (na rozdíl od divoké koule ). A uspořádání pseudosféry v je sbírka pseudosfér, které se protínají podél pseudosfér. A konečně, věta topologické reprezentace Folkmana Lawrencea uvádí, že každý orientovaný matroid hodnosti lze získat z uspořádání pseudosféry v .[10] Je pojmenován po Jon Folkman a Jim Lawrence, který ji publikoval v roce 1978.
Geometrie
Teorie orientovaných matroidů ovlivnila vývoj kombinatorická geometrie, zejména teorie konvexní polytopes, zonotopy, a konfigurací vektorů (uspořádání hyperplánů ).[11] Mnoho výsledků—Carathéodoryova věta, Hellyho věta, Radonova věta, Hahnova – Banachova věta, Kerin – Milmanova věta, Farkasovo lema —Může být formulován pomocí vhodně orientovaných matroidů.[12]
Optimalizace
Vývoj systému axiomu pro orientované matroidy byl zahájen R. Tyrrell Rockafellar popsat znaménkové vzory matic vznikající otočnými operacemi Dantzigova simplexního algoritmu; Rockafellar byl inspirován Albert W. Tucker Studie takových znakových vzorů v "Tuckerových obrazech".[13]
Teorie orientovaných matroidů vedla k průlomům v oblasti kombinatorická optimalizace. v lineární programování, to byl jazyk, ve kterém Robert G. Bland formuloval svůj otočné pravidlo, kterým simplexní algoritmus vyhýbá se cyklům. Podobně to použili Terlaky a Zhang k prokázání toho, že jejich křížové algoritmy mít konečné ukončení pro lineární programování problémy. Podobné výsledky byly provedeny u konvexních kvadratické programování od Todda a Terlaky.[14] Bylo aplikováno na lineární-zlomkové programování,[15] kvadratické programování problémy a problémy lineární komplementarity.[16][17][18]
Mimo kombinatorická optimalizace, OM teorie také se objeví v konvexní minimalizace v Rockafellarově teorii „monotropního programování“ a souvisejících pojmech „opevněného původu“.[19] Podobně, matroid teorie ovlivnila vývoj kombinatorických algoritmů, zejména chamtivý algoritmus.[20] Obecněji, a greedoid je užitečné pro studium konečného ukončení algoritmů.
Reference
- ^ R. Tyrrell Rockafellar 1969. Anders Björner a další, kapitoly 1-3. Jürgen Bokowski, kapitola 1. Günter M. Ziegler, Kapitola 7.
- ^ Björner a další, kapitoly 1-3. Bokowski, kapitoly 1-4.
- ^ Protože matroidy a orientované matroidy jsou abstrakcemi jiných matematických abstrakcí, téměř všechny relevantní knihy jsou psány spíše pro matematické vědce než pro širokou veřejnost. Pro učení o orientovaných matroidech je dobrou přípravou studium učebnice lineární optimalizace od Neringa a Tuckera, který je naplněn myšlenkami orientovaných matroidů, a poté přistoupit k Zieglerovým přednáškám o polytopech.
- ^ Björner a další, kapitola 7.9.
- ^ Björner a další, kapitola 3.5
- ^ * Björner, Anders; Las Vergnas, Michel; Sturmfels, Bernd; White, Neil; Ziegler, Günter (1999). Orientované matroidy. Encyklopedie matematiky a její aplikace. 46 (2. vyd.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-77750-6. OCLC 776950824. Zbl 0944.52006.
- ^ Björner a další, kapitola 7.9
- ^ Björner a další, kapitola 3.4
- ^ Björner a další, kapitola 3.6
- ^ Björner a další, kapitola 5.2
- ^ Bachem a Kern, kapitoly 1–2 a 4–9. Björner a další, kapitoly 1–8. Ziegler, kapitola 7–8. Bokowski, kapitoly 7–10.
- ^ Bachem a Wanka, kapitoly 1–2, 5, 7–9. Björner a další, kapitola 8.
- ^ Rockafellar, R. Tyrrell (1969). "Elementární vektory podprostoru o (1967)" (PDF). v R. C. Bose; Thomas A. Dowling (eds.). Kombinatorická matematika a její aplikace. The University of North Carolina Monograph Series in Probability and Statistics. Chapel Hill, Severní Karolína: University of North Carolina Press. str. 104–127. PAN 0278972.
- ^ Björner a další, kapitoly 8–9. Fukuda a Terlaky. Srovnej Ziegler.
- ^ Illés, Szirmai a Terlaky (1999)
- ^ Fukuda & Terlaky (1997)
- ^ Fukuda & Terlaky (1997, str. 385)
- ^ Fukuda a Namiki (1994, str. 367)
- ^ Rockafellar 1984 a 1998.
- ^ Lawler. Rockafellar 1984 a 1998.
Další čtení
Knihy
- Bachem, Achim; Kern, Walter (1992). Dualita lineárního programování: Úvod do orientovaných matroidů. Universitext. Springer-Verlag. doi:10.1007/978-3-642-58152-6. ISBN 978-3-540-55417-2. PAN 1230380.
- Björner, Anders; Las Vergnas, Michel; Sturmfels, Bernd; White, Neil; Ziegler, Günter (1999). Orientované matroidy. Encyklopedie matematiky a její aplikace. 46 (2. vyd.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-77750-6. Zbl 0944.52006.
- Bokowski, Jürgen (2006). Výpočetně orientované matroidy. Třídy ekvivalence matic v přirozeném rámci. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84930-2. Zbl 1120.52011.
- Lawler, Eugene (2001). Kombinatorická optimalizace: Sítě a matroidy. Doveru. ISBN 978-0-486-41453-9. Zbl 1058.90057.
- Evar D. Nering a Albert W. Tucker, 1993, Lineární programy a související problémy, Academic Press. (základní)
- Rockafellar, R. Tyrrell (1984). Toky v síti a monotropní optimalizace. Wiley-Interscience. publikováno Athena Scientific of Dimitri Bertsekas, 1998.
- Ziegler, Günter M. (1994). Přednášky na Polytopech. New York: Springer-Verlag.
- Richter-Gebert, Jürgen; Ziegler, Günter M. (1997). "Orientované matroidy". v Goodman, Jacob E.; O'Rourke, Joseph (eds.). Příručka diskrétní a výpočetní geometrie. Boca Raton: CRC Press. str.111–132.
Články
- A. Bachem, A. Wanka, Věty o oddělení pro orientované matroidy, Diskrétní matematika. 70 (1988) 303—310.
- Robert G. Bland Nová konečná otočná pravidla pro simplexní metodu, Matematika. Oper. Res. 2 (1977) 103–107.
- Folkman, Jon; Lawrence, Jim (Říjen 1978). "Orientované matroidy". J. Combin. Theory Ser. B. 25 (2): 199–236. doi:10.1016/0095-8956(78)90039-4.
- Fukuda, Komei; Terlaky, Tamás (1997). Thomas M. Liebling; Dominique de Werra (eds.). "Křížové metody: nový pohled na pivotní algoritmy". Matematické programování, řada B.. 79 (1–3). Amsterdam: North-Holland Publishing Co. str. 369–395. doi:10.1007 / BF02614325. PAN 1464775.
- Fukuda, Komei; Namiki, Makoto (březen 1994). "O extremálním chování Murtyho metody nejmenšího indexu". Matematické programování. 64 (1): 365–370. doi:10.1007 / BF01582581. PAN 1286455.
- Illés, Tibor; Szirmai, Ákos; Terlaky, Tamás (1999). „Metoda konečného křížení pro hyperbolické programování“. Evropský žurnál operačního výzkumu. 114 (1): 198–214. CiteSeerX 10.1.1.36.7090. doi:10.1016 / S0377-2217 (98) 00049-6. ISSN 0377-2217.
- R. Tyrrell Rockafellar. Elementární vektory podprostoru o , v Kombinatorická matematika a její aplikaceR. C. Bose a T. A. Dowling (eds.), Univ. of North Carolina Press, 1969, 104-127.
- Roos, C. (1990). "Exponenciální příklad Terlakyho otočného pravidla pro metodu criss-cross simplex". Matematické programování. Řada A. 46 (1): 79–84. doi:10.1007 / BF01585729. PAN 1045573.
- Terlaky, T. (1985). "Konvergentní křížová metoda". Optimalizace: Žurnál matematického programování a operačního výzkumu. 16 (5): 683–690. doi:10.1080/02331938508843067. ISSN 0233-1934. PAN 0798939.
- Terlaky, Tamás (1987). „Metoda konečného křížení pro orientované matroidy“. Journal of Combinatorial Theory. Řada B. 42 (3): 319–327. doi:10.1016/0095-8956(87)90049-9. ISSN 0095-8956. PAN 0888684.
- Terlaky, Tamás; Zhang, Shu Zhong (1993). "Pivot pravidla pro lineární programování: Průzkum o nedávném teoretickém vývoji". Annals of Operations Research. 46–47 (1): 203–233. CiteSeerX 10.1.1.36.7658. doi:10.1007 / BF02096264. ISSN 0254-5330. PAN 1260019.
- Michael J. Todd, lineární a kvadratické programování v orientovaných matroidech, J. Combin. Theory Ser. B 39 (1985) 105—133.
- Wang, Zhe Min (1987). "Bezplatný algoritmus konečné konformní eliminace nad orientovaným programováním matroidů". Chinese Annals of Mathematics (Shuxue Niankan B Ji). Řada B. 8 (1): 120–125. ISSN 0252-9599. PAN 0886756.
Na webu
- Ziegler, Günter (1998). „Orientované matroidy dnes“. Electronic Journal of Combinatorics.
- Malkevitch, Joseph. „Orientované matroidy: síla sjednocení“. Sloupec funkcí. Americká matematická společnost. Citováno 2009-09-14.