代数组合论第一章习题—图中的游动

1.用组合方法证明,$K_p$中某个顶点到自身的长为$l$的闭游动的条数是$\frac{(p-1)^l+(p-1)(-1)^l}{p}$

解:关于邻接矩阵特征值的代数方法书里有,这里是组合方法,比较简单

设答案数列为$a_l​$

设$l\ge2$,则考虑从$1$走两步后,有$(p-2)$种方法走到除$1$以外的点,有$(p-1)$种方法走到$1$,那么$\frac{a_l-a_{l-2}}{p-2}=(p-1)^{l-2}$(等式右边即为反着考虑从$1$走$l-2$步到达任意一个点),那么带入公式可证。

5.设$H_n$为一个两边都为$n$个点的完全二分图$K_{nn}$,减去任意一个完美匹配得到的图,那么,证明这个图的邻接矩阵特征值为$+1,-1$(每个$n-1$重)和$\pm(n-1)$(每个$1$重)

由于是二分图,当$l$是奇数时闭游动数量为零,根据本节引理1.7,本题命题的充要条件是$H_n$闭游动条数为$a_l=2[(n-1)^l+(n-1)],2|l$

根据与上一题类似的思路,我们仍然可以通过组合意义得到递推式:

$\frac{a_l-a_{l-2}}{2n(n-2)}=(n-1)^{l-1}$,发现所得通项公式即为命题所需公式,证毕

6.完全$p$部图$K(n,p)$的闭游动条数

观察本节1.6,只要把完全$p$部图看成$p$个点完全图,而每个点都有$n$权值的贡献即可,套用公式,可得答案为

$n^l((p-1)^l+(p-1)(-1)^l)$

8.$G$是一个$n$个顶点的图,新加入$n$个节点,并且把第$i$个新节点和第$i$个原来的节点加一条边,得到图$G’$,$G$原来的邻接矩阵特征值为${\lambda}_n$,$G’$的邻接矩阵特征值是?

$A(G’)-\lambda E=\begin{pmatrix}-\lambda E , E\E,A(G)-\lambda E\end{pmatrix}$

这是一个分块矩阵,块消元一下得到$\begin{pmatrix}-\lambda E , O\O,A(G)-(\lambda+\frac{1}{\lambda}) E\end{pmatrix}$

得到$G’$的特征多项式$f_{G’}(x)=(-x)^nf_G(x+\frac{1}{x})$

可知$G’$邻接矩阵特征值为${(\lambda\pm\sqrt{\lambda^2+4})/2}_{2n}$

12.(a)设$G$是有限图,$\Delta$为$G$中最大点度数,$A(G)$最大特征值为$\lambda_1$,证明$\lambda_1\leq\Delta$

反证,若$\lambda_1>\Delta$,闭游动条数$a_l=\sum_{i=1}^{|G|}\lambda_i^l$,同时,$a_l\leq|G|\Delta^l$

得到$\forall l>0,b_l=|G|\Delta^l-\sum_{i=1}^{|G|}\lambda_i^l\ge0$,但$\lim\limits_{l\rightarrow+\infty}\frac{b_{2l}}{\lambda_1^{2l}}<0$(因为负特征值的绝对值也肯定不能比$\lambda_1$大),这是矛盾的,因此一定有$\lambda_1\leq\Delta$

12.(b)设$G$是有$m$条边的简单无向图,$A(G)$最大特征值为$\lambda_1$,证明$\lambda_1\leq\sqrt{2m}$

反证,若要$\lambda_1>\sqrt{2m}$,考虑$A^2(G)$这个矩阵必有特征值$\Lambda>2m$,但考虑以$A^2(G)$为邻接矩阵的图$G’$,$v$在$G’$中的度$deg_{G’}(v)\leq\sum_{i=1}^{|G’|}deg_G(i)=2m$,因此$\Delta_{G’}\leq2m$那么根据上一题结论,最大特征值$\Lambda_1\leq\Delta_{G’}\leq2m$,因此不可能有$\lambda_1>\sqrt{2m}$

13.设$G$是至少两个点的简单有限无向图,$\exist l\ge1,s.t.\forall u,v\in V(G),A(G)^l_{uv} mod 2=1$证明存在非空顶点子集$S$,使得$S$非空,有偶数个节点且$G$的任意节点$v$都与$S$中偶数个顶点相连

以下矩阵和向量运算都在$mod2$意义下进行

首先$rank(A(G)^l)=1$,说明$A(G)$ 不满秩,存在非零向量$v$,使得$A(G)v=0$

如果 $v​$有奇数个$1​$,那么$A(G)^lv=0​$,但$A(G)^l​$为全$1​$矩阵$J​$,因此这是不可能的,所以$v​$只有偶数个$1​$,$v​$所对应的子集即为所求,证毕。