채색 다항식은 그래프의 꼭짓점을 k개의 색으로 칠하는 방법의 수를 나타내는 다항식이다. 조지 데이비드 버코프는 4색 정리를 증명하기 위해 평면 그래프에 대한 채색 다항식을 도입했으며, 해슬러 휘트니는 이를 일반 그래프로 확장했다. 채색 다항식은 삭제-축소 재귀 관계를 통해 정의되며, 그래프의 색수, 비순환 방향의 수 등 다양한 정보를 담고 있다. 채색 다항식은 그래프 이론, 조합론, 통계 물리학 등 다양한 분야에 응용되며, 삭제-축소 알고리즘, 효율적인 알고리즘 등 다양한 알고리즘을 통해 계산할 수 있다. 채색 다항식의 계수를 계산하는 문제는 #P-난해이며, 특정 종류의 그래프에 대해서는 다항 시간 알고리즘이 존재한다.
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그래프 색칠 - 4색 정리 4색 정리는 평면을 나눈 영역을 인접한 영역과 다른 색으로 칠할 때 필요한 최소 색의 수가 4개라는 정리로, 그래프 이론을 통해 추상화되어 평면 그래프의 4-채색 가능성을 나타내며, 컴퓨터를 이용한 증명과 그에 대한 논란, 그리고 재증명이 이루어졌다.
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채색 다항식
정의
설명
그래프 이론에서, 그래프의 채색다항식은 그래프의 정점을 서로 인접한 정점이 같은 색을 갖지 않도록 주어진 개수의 색으로 칠하는 방법의 수를 나타내는 다항식이다.
예시
k
}}는 세 개의 정점을 갖는 고립된 그래프의 채색다항식이다.
k(k – 1)
(k – 1)}}는 두 개의 정점을 갖는 선분의 채색다항식이다.
k(k – 1)
}}는 세 개의 정점을 갖는 선분의 채색다항식이다.
k(k – 1)(k – 2)
는 세 개의 정점을 갖는 완전 그래프의 채색다항식이다.
2. 역사
조지 데이비드 버코프는 1912년에 4색 정리를 증명하기 위해 채색 다항식을 도입했고,[1]해슬러 휘트니는 1932년에 이를 일반 그래프로 확장했다. 1968년 로널드 C. 리드는 어떤 다항식이 어떤 그래프의 채색 다항식인지에 대한 문제를 제기하고, 채색 동치 그래프 개념을 도입했다.[1] 오늘날 채색 다항식은 대수적 그래프 이론의 핵심 연구 대상 중 하나이다.[2]
2. 1. 4색 문제와 초기 연구
조지 데이비드 버코프는 1912년에 4색 정리를 증명하기 위해 평면 그래프에 대해서만 정의하는 채색 다항식을 도입했다.[1] 그는 ''k''개의 색상으로 ''G''를 적절하게 채색하는 횟수를 나타내는 를 정의하고, 모든 평면 그래프 ''G''에 대해 을 보이면 4색 정리를 증명할 수 있다고 생각했다. 이러한 방식으로 그는 조합적인 색칠 문제에 해석학 및 대수학의 강력한 도구를 적용하고자 했다.
해슬러 휘트니는 1932년에 버코프의 다항식을 평면 그래프뿐만 아니라 일반적인 그래프에도 적용할 수 있도록 확장했다.[1]
2. 2. 채색 다항식 연구의 발전
해슬러 휘트니는 1932년에 조지 데이비드 버코프의 다항식을 평면 사례에서 일반 그래프로 일반화했다. 1968년 로널드 C. 리드는 어떤 다항식이 어떤 그래프의 채색 다항식인지에 대해 질문하고(난제), 채색 동치 그래프의 개념을 도입했다.[1] 오늘날, 채색 다항식은 대수적 그래프 이론의 핵심 대상 중 하나이다.[2]
3. 정의
그래프 ''G''에 대해 P(G, k)영어는 (적절한) 꼭짓점 ''k''-채색의 수를 나타낸다. 다른 표현으로는 PG(k)영어, χG(k)영어, πG(k)영어 등이 있다. 임의의 정수 ''k'' ≥ 0에 대해 P(G, k)영어 값을 갖는 유일한 다항식 P(G, x)영어가 존재하는데, 이를 ''G''의 '''채색 다항식'''이라고 한다.
예를 들어 경로 그래프 P3영어에 ''k''개의 색을 칠하는 경우, 3개의 꼭짓점 중 첫 번째 꼭짓점에는 ''k''개의 색 중 하나를 선택할 수 있다. 두 번째 꼭짓점에는 남은 ''k'' - 1개의 색 중 하나를 선택할 수 있고, 마지막 세 번째 꼭짓점에는 두 번째 꼭짓점에서 선택한 색과 다른 ''k'' - 1개의 색 중 하나를 선택할 수 있다. 따라서 P3영어의 ''k''-색칠의 수는 이다. 변수 ''x''(반드시 정수일 필요는 없음)에 대해 이다. (색의 순서를 바꾸거나 ''G''의 자기동형사상에 의해서만 다른 색칠은 여전히 다른 것으로 간주한다.)
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3. 1. 삭제-축소 정의
''k''-채색의 수는 ''k''에 대한 다항식이라는 사실은 '''삭제-축소 재귀''' 또는 '''기본 환원 정리'''라고 불리는 재귀 관계에 따른다.[3] 이는 모서리 축소를 기반으로 한다. 한 쌍의 꼭지점 , 에 대해 그래프 는 두 꼭지점을 병합하고 그 사이의 모서리를 제거하여 얻는다. 와 가 ''G''에서 연결되어 있다면, 는 그 모서리 를 제거하여 얻은 그래프를 나타낸다. 이 그래프의 ''''-채색 수는 다음을 충족한다.
:
마찬가지로, 만약 와 가 ''''에서 인접하지 않고 가 모서리 를 추가한 그래프라면,
:
이는 ''''의 모든 ''-''채색이 와 에 서로 다른 색상 또는 같은 색을 칠한다는 관찰에서 비롯된다. 첫 번째 경우에 이는 의 (적절한) ''''-채색을 제공한다. 두 번째 경우에는 의 채색을 제공한다. 반대로, ''''의 모든 ''''-채색은 또는 (모서리 가 없을 경우) 의 ''''-채색으로부터 유일하게 얻을 수 있다.
따라서 채색 다항식은 다음과 같이 재귀적으로 정의될 수 있다.
:''n''개의 꼭지점을 가지고 모서리는 없는 그래프의 경우
:모서리 가 있는 그래프 ''''의 경우
모서리 없는 그래프의 ''-''채색 수는 이므로, 모든 ''''에 대해 다항식 이 모든 정수점 ''''에서 ''''-채색 수와 일치하는 모서리 수에 대한 귀납법에 의해 얻어진다. 특히, 채색 다항식은 점
:
을 통과하는 최대 ''n'' 차의 유일한 보간 다항식이다.
4. 성질
채색 다항식은 다음과 같은 성질을 갖는다.
''n''개의 꼭짓점을 가진 그래프 ''G''에 대해, 채색 다항식 는 정수 계수를 갖는 ''n''차 일계수 다항식이다.