Orienterad matroid

Oriented-matroid teori tillåter en kombinatorisk ansats till max-flow min-cut theorem . Ett nätverk med flödesvärdet lika med kapaciteten för en st cut

En orienterad matroid är en matematisk struktur som abstraherar egenskaperna hos riktade grafer , vektorarrangemang över ordnade fält och hyperplanarrangemang över ordnade fält . I jämförelse abstraherar en vanlig (dvs icke-orienterad) matroid beroendeegenskaperna som är vanliga både för grafer , som inte nödvändigtvis är riktade , och för arrangemang av vektorer över fält , som inte nödvändigtvis är ordnade .

Alla orienterade matroider har en underliggande matroid . Således kan resultat på vanliga matroider appliceras på orienterade matroider. Men det omvända är falskt; vissa matroider kan inte bli en orienterad matroid genom att orientera en underliggande struktur (t.ex. kretsar eller oberoende uppsättningar). Skillnaden mellan matroider och orienterade matroider diskuteras vidare nedan.

Matroider är ofta användbara inom områden som dimensionsteori och algoritmer . På grund av en orienterad matroids inkludering av ytterligare detaljer om en strukturs orienterade karaktär, sträcker sig dess användbarhet ytterligare till flera områden inklusive geometri och optimering .

Bakgrund

För att abstrahera begreppet orientering på kanterna av en graf till uppsättningar, behöver man förmågan att tilldela "riktning" till elementen i en uppsättning. Sättet detta uppnåddes är med följande definition av signerade uppsättningar .

  • En signerad uppsättning , , kombinerar en uppsättning objekt, , med en partition av den uppsättningen i två delmängder: och .
Medlemmarna av kallas de positiva elementen ; medlemmar av är de negativa elementen .
  • Mängden kallas stödet för .
  • Den tomma signerade uppsättningen , , definieras som den tomma uppsättningen kombinerad med en "partition" av den i två tomma uppsättningar: och .
  • Den signerade uppsättningen är motsatsen till , dvs , om och endast om och

Givet ett element av stödet kommer vi att skriva för ett positivt element och för ett negativt element. På detta sätt lägger en signerad uppsättning bara till negativa tecken till framstående element. Detta kommer att vara vettigt som en "riktning" endast när vi överväger orienteringar av större strukturer. Sedan kommer tecknet för varje element att koda dess riktning i förhållande till denna orientering.

Axiomatiseringar

Liksom vanliga matroider finns flera ekvivalenta system av axiom . (Sådana strukturer som har flera ekvivalenta axiomatiseringar kallas kryptomorfa .)

Kretsens axiom

Låt vara vilken mängd som helst. Vi hänvisar till som grundsatsen . Låt vara en samling av signerade uppsättningar , som var och en stöds av en delmängd av . Om följande axiom gäller för motsvarande uppsättningen av signerade kretsar för en orienterad matroid .

  • (C0)
  • (C1) (symmetrisk)
  • (C2) (ojämförbar)
  • (C3) (svag eliminering)

Vektor Axiom

Sammansättningen av signerade uppsättningar och är den signerade uppsättningen definierad av _ ( och . Vektorerna för en orienterad matroid är sammansättningar av kretsar. Vektorerna för en orienterad matroid uppfyller följande axiom:

  • för alla X
  • för alla , och , det finns en så att
    • ,
    • och
    • .

Chirotopaxiom

Låt vara som ovan. För varje icke-negativt heltal en chirotop av rang en funktion som uppfyller följande axiom:

  • (B0) (icke-trivial) : är inte identiskt noll
  • (B1) (alternerande) : För alla permutationer och , sgn är tecknet på permutationen.
  • (B2) (utbyte) : För alla så att för varje , då har vi också .

Termen chirotope härrör från den matematiska föreställningen om kiralitet , som är ett begrepp som är abstraherat från kemi , där det används för att skilja molekyler som har samma struktur förutom en reflektion.

Likvärdighet

Varje kirotop av rang ger upphov till en uppsättning baser av en matroid på bestående av de -elementsubset som tilldelar en icke-noll värde. Chirotopen kan sedan signera kretsarna för den matroiden. Om är en krets av den beskrivna matroiden, då där är en grund. Då signeras med positiva element

och negativa element komplementet. Sålunda ger en kirotop upphov till de orienterade baserna av en orienterad matroid. I denna mening är (B0) det icke-tomma axiomet för baser och (B2) är basutbytesegenskapen.

Exempel

Orienterade matroider introduceras ofta (t.ex. Bachem och Kern) som en abstraktion för riktade grafer eller system av linjära ojämlikheter. Nedan är de explicita konstruktionerna.

Riktade grafer

Med en digraf definierar vi en signerad krets från standardkretsen i grafen med följande metod. Stödet för den signerade kretsen är standarduppsättningen av kanter i en minimal cykel. Vi går längs cykeln i medurs eller moturs riktning och tilldelar de kanter vars orientering överensstämmer med riktningen till de positiva elementen och de kanter vars orientering inte överensstämmer med riktningen till de negativa elementen . Om är mängden av alla sådana , så är mängden tecken kretsar av en orienterad matroid på uppsättningen av kanter av den riktade grafen.

En riktad graf

Om vi ​​betraktar den riktade grafen till höger, så kan vi se att det bara finns två kretsar, nämligen och . Då finns det bara fyra möjliga teckenkretsar som motsvarar medurs och moturs orientering, nämligen , , , och . Dessa fyra uppsättningar bildar uppsättningen av signerade kretsar för en orienterad matroid på uppsättningen { .

Linjär algebra

Om är vilken ändlig delmängd som helst av så bildar mängden av minimala linjärt beroende mängder kretsmängden för en matroid på . För att utöka denna konstruktion till orienterade matroider finns det ett minimalt linjärt beroende för varje krets

med . Då har den signerade kretsen positiva element och negativa element . Uppsättningen av alla sådana bildar uppsättningen av signerade kretsar för en orienterad matroid på . Orienterade matroider som kan realiseras på detta sätt kallas representable .

Givet samma uppsättning vektorer , kan vi definiera samma orienterade matroid med en chirotop . För alla låt

där den högra sidan av ekvationen är tecknet för determinanten . Då kirotopen för samma orienterade matroid på mängden .

Hyperplanarrangemang

Ett riktigt hyperplanarrangemang är en ändlig uppsättning hyperplan i , var och en innehåller ursprunget. Genom att välja en sida av varje hyperplan som den positiva sidan får vi ett arrangemang av halvrum. Ett halvutrymmesarrangemang bryter ner det omgivande rummet till en ändlig samling celler, var och en definierad av vilken sida av varje hyperplan den landar på. Det vill säga tilldela varje punkt till den signerade uppsättningen med om är på den positiva sidan av och om är på den negativa sidan av . Denna samling av signerade uppsättningar definierar uppsättningen av kovektorer för den orienterade matroiden, som är vektorerna för den dubbelorienterade matroiden.

Konvex polytop

Günter M. Ziegler introducerar orienterade matroider via konvexa polytoper.

Resultat

Orienterbarhet

En standardmatroid kallas orienterbar om dess kretsar är stöd för signerade kretsar av någon orienterad matroid. Det är känt att alla verkliga representativa matroider är orienterbara. Det är också känt att klassen av orienterbara matroider är stängd för att ta emot minderåriga , men listan över förbjudna minderåriga för orienterbara matroider är känd för att vara oändlig. I denna mening är orienterade matroider en mycket strängare formalisering än vanliga matroider.

Dualitet

Ungefär som matroider har unika dubbla , orienterade matroider har unika ortogonala dubbla. Vad detta betyder är att de underliggande matroiderna är dubbla och att samkretsarna är signerade så att de är ortogonala mot varje krets. Två tecken med tecken sägs vara ortogonala om skärningen av deras stöd är tom eller om begränsningen av deras positiva element till skärningspunkten och negativa element till korsningen bildar två icke-identiska och icke motsatta tecken med tecken. Existensen och unikheten hos den dubbelorienterade matroiden beror på det faktum att varje signerad krets är ortogonal mot varje signerad samkrets. För att se varför ortogonalitet är nödvändigt för unikhet behöver man bara titta på digrafexemplet ovan. Vi vet att för plana grafer, att dualen av kretsmatroiden är kretsmatroiden av grafens plana dual . Det finns alltså lika många olika orienterade matroider som är dubbla som det finns sätt att orientera en graf och dess dubbla.

För att se den explicita konstruktionen av denna unika ortogonala dubbelorienterade matroid, betrakta en orienterad matroids chirotop . Om vi ​​betraktar en lista med element av som en cyklisk permutation så definierar vi för att vara tecknet på den associerade permutationen. Om definieras som

då är chirotopen för den unika ortogonala dubbelorienterade matroiden.

Topologisk representation

Detta är ett exempel på ett pseudolinarrangemang som skiljer sig från alla linjearrangemang.

Inte alla orienterade matroider är representerbara – det vill säga, alla har inte realiseringar som punktkonfigurationer, eller på motsvarande sätt hyperplanarrangemang. Men i någon mening kommer alla orienterade matroider nära att ha insikter om hyperplanarrangemang. I synnerhet Folkman-Lawrences topologiska representationsteorem att varje orienterad matroid har en realisering som ett arrangemang av pseudosfärer . En -dimensionell pseudosfär är en inbäddning av så att det finns en homeomorfism så att bäddar in som en ekvator av . I denna mening är en pseudosfär bara en tam sfär (i motsats till vilda sfärer ). Ett pseudosfärarrangemang i är en samling pseudosfärer som skär varandra längs pseudosfärer. Slutligen säger Folkman Lawrence topologiska representationssats att varje orienterad matroid av rang kan erhållas från ett pseudosfärarrangemang i . Den är uppkallad efter Jon Folkman och Jim Lawrence, som publicerade den 1978.

Geometri

Minkowski addition of four line-segments. The left-hand pane displays four sets, which are displayed in a two-by-two array. Each of the sets contains exactly two points, which are displayed in red. In each set, the two points are joined by a pink line segment, which is the convex hull of the original set. Each set has exactly one point that is indicated with a plus symbol. In the top row of the two-by-two array, the plus symbol lies in the interior of the line segment; in the bottom row, the plus symbol coincides with one of the red points. This completes the description of the left-hand pane of the diagram. The right-hand pane displays the Minkowski sum of the sets, which is the union of the sums having exactly one point from each summand set; for the displayed sets, the sixteen sums are distinct points, which are displayed in red: The right-hand red sum points are the sums of the left-hand red summand points. The convex hull of the sixteen red points is shaded in pink. In the pink interior of the right-hand sumset lies exactly one plus-symbol, which is the (unique) sum of the plus-symbols from the right-hand side. The right-hand plus symbol is indeed the sum of the four plus-symbols from the left-hand sets, precisely two points from the original non-convex summand sets and two points from the convex hulls of the remaining summand sets.
En zonotop, som är en Minkowski summa av linjesegment, är en grundläggande modell för orienterade matroider. De sexton mörkröda punkterna (till höger) bildar Minkowskisumman av de fyra icke-konvexa uppsättningarna (till vänster), som var och en består av ett par röda punkter. Deras konvexa skrov (rosa skuggade) innehåller plustecken (+): Det högra plustecknet är summan av de vänstra plustecknen.

Teorin om orienterade matroider har påverkat utvecklingen av kombinatorisk geometri , särskilt teorin om konvexa polytoper , zonotoper och konfigurationer av vektorer ( arrangemang av hyperplan ). Många resultat — Carathéodorys sats , Hellys sats , Radons sats , Hahn -Banachs sats , Krein -Milmans sats , Farkas lemma — kan formuleras med hjälp av lämpliga orienterade matroider.

Optimering

I konvex geometri tolkas simplexalgoritmen för linjär programmering som att spåra en bana längs hörnen på en konvex polyeder. Orienterad matroideori studerar de kombinatoriska invarianter som avslöjas i teckenmönster för matriserna som framträder som pivoterande algoritmer som utbyter baser.

Utvecklingen av ett axiomsystem för orienterade matroider initierades av R. Tyrrell Rockafellar för att beskriva teckenmönster för matriserna som uppstår genom svängningsoperationerna i Dantzigs simplexalgoritm; Rockafellar inspirerades av Albert W. Tuckers studier av sådana teckenmönster i "Tucker-tablåer".

Teorin om orienterade matroider har lett till genombrott inom kombinatorisk optimering . Inom linjär programmering var det språket där Robert G. Bland formulerade sin svängningsregel , med vilken simplexalgoritmen undviker cykler. På liknande sätt användes den av Terlaky och Zhang för att bevisa att deras kors och tvärs algoritmer har ändlig terminering för linjära programmeringsproblem . Liknande resultat gjordes i konvex kvadratisk programmering av Todd och Terlaky. Det har tillämpats på linjär-fraktionell programmering , kvadratiska programmeringsproblem och linjära komplementaritetsproblem .

Utanför kombinatorisk optimering förekommer OM-teorin också i konvex minimering i Rockafellars teori om "monotropic programmering" och relaterade föreställningar om "befäst härkomst". På liknande sätt matroidteori påverkat utvecklingen av kombinatoriska algoritmer, särskilt den giriga algoritmen . Mer generellt är en greedoid användbar för att studera den ändliga avslutningen av algoritmer.


Vidare läsning

Böcker

Artiklar

På webben

externa länkar