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Matroide orientado

La teoría de matroides orientados permite un enfoque combinatorio del teorema de corte mínimo de flujo máximo . Una red con el valor del flujo igual a la capacidad de un corte de st

Un matroide orientado es una estructura matemática que abstrae las propiedades de los gráficos dirigidos , los arreglos vectoriales sobre campos ordenados y los arreglos de hiperplanos sobre campos ordenados . [1] En comparación, un matroide ordinario (es decir, no orientado) abstrae las propiedades de dependencia que son comunes tanto a los gráficos , que no son necesariamente dirigidos , como a los arreglos de vectores sobre campos , que no son necesariamente ordenados . [2] [3]

Todas las matroides orientadas tienen una matroide subyacente . Por lo tanto, los resultados obtenidos en las matroides ordinarias se pueden aplicar a las matroides orientadas. Sin embargo, lo contrario es falso; algunas matroides no pueden convertirse en una matroide orientada orientando una estructura subyacente (por ejemplo, circuitos o conjuntos independientes). [4] La distinción entre matroides y matroides orientadas se analiza más adelante.

Los matroides suelen ser útiles en áreas como la teoría de dimensiones y los algoritmos . Debido a que un matroide orientado incluye detalles adicionales sobre la naturaleza orientada de una estructura, su utilidad se extiende a otras áreas, como la geometría y la optimización .

Historia

La primera aparición de matroides orientadas fue en un artículo de 1966 de George J. Minty y se limitó a matroides regulares . [5]

Posteriormente, RT Rockefellar (1969) planteó el problema de generalizar el concepto de Minty a espacios vectoriales reales. Su propuesta contribuyó al desarrollo de la teoría general.

Fondo

Para abstraer el concepto de orientación en los bordes de un grafo a conjuntos, se necesita la capacidad de asignar "dirección" a los elementos de un conjunto. La forma de lograrlo es con la siguiente definición de conjuntos con signo .

Los miembros de se llaman elementos positivos ; los miembros de son los elementos negativos .

Dado un elemento del soporte, escribiremos para un elemento positivo y para un elemento negativo. De esta manera, un conjunto con signo simplemente suma signos negativos a elementos distinguidos. Esto tendrá sentido como una "dirección" solo cuando consideremos orientaciones de estructuras más grandes. Entonces, el signo de cada elemento codificará su dirección relativa a esta orientación.

Axiomatizaciones

Al igual que los matroides ordinarios, existen varios sistemas equivalentes de axiomas . (Las estructuras que poseen múltiples axiomatizaciones equivalentes se denominan criptomórficas ).

Axiomas de circuitos

Sea cualquier conjunto. Lo llamaremos conjunto base . Sea una colección de conjuntos con signo , cada uno de los cuales está respaldado por un subconjunto de . Si los siguientes axiomas son válidos para , entonces, equivalentemente, es el conjunto de circuitos con signo para un matroide orientado en .

Axiomas vectoriales

La composición de los conjuntos con signo y es el conjunto con signo definido por , , y . Los vectores de un matroide orientado son las composiciones de circuitos. Los vectores de un matroide orientado satisfacen los siguientes axiomas:

Los covectores de un matroide orientado son los vectores de su matroide orientado dual.

Axiomas de quirótopos

Sea como se indica arriba. Para cada entero no negativo , un quirótopo de rango es una función que satisface los siguientes axiomas:

El término quirótopo se deriva de la noción matemática de quiralidad , que es un concepto abstraído de la química , donde se utiliza para distinguir moléculas que tienen la misma estructura excepto por una reflexión.

Equivalencia

Cada quirótopo de rango da lugar a un conjunto de bases de un matroide que consiste en aquellos subconjuntos de elementos que asignan un valor distinto de cero. [6] El quirótopo puede entonces firmar los circuitos de ese matroide. Si es un circuito del matroide descrito, entonces donde es una base. Entonces puede firmarse con elementos positivos .

y los elementos negativos el complemento. Así, un quirótopo da lugar a las bases orientadas de un matroide orientado. En este sentido, (B0) es el axioma no vacío para bases y (B2) es la propiedad de intercambio de bases.

Ejemplos

Las matroides orientadas se introducen a menudo (por ejemplo, Bachem y Kern) como una abstracción para grafos dirigidos o sistemas de inecuaciones lineales. A continuación se presentan las construcciones explícitas.

Grafos dirigidos

Dado un dígrafo , definimos un circuito con signo a partir del circuito estándar del grafo mediante el siguiente método. El soporte del circuito con signo es el conjunto estándar de aristas en un ciclo mínimo. Recorremos el ciclo en sentido horario o antihorario asignando aquellas aristas cuya orientación concuerda con la dirección a los elementos positivos y aquellas aristas cuya orientación no concuerda con la dirección a los elementos negativos . Si es el conjunto de todos tales , entonces es el conjunto de circuitos con signo de un matroide orientado sobre el conjunto de aristas del grafo dirigido.

Un gráfico dirigido

Si consideramos el grafo dirigido de la derecha, podemos ver que solo hay dos circuitos, a saber y . Luego, solo hay cuatro circuitos con signo posibles correspondientes a orientaciones en sentido horario y antihorario, a saber , , , y . Estos cuatro conjuntos forman el conjunto de circuitos con signo de un matroide orientado en el conjunto .

Álgebra lineal

Si es cualquier subconjunto finito de , entonces el conjunto de conjuntos linealmente dependientes mínimos forma el conjunto de circuitos de un matroide en . Para extender esta construcción a los matroides orientados, para cada circuito existe una dependencia lineal mínima

con . Entonces el circuito con signo tiene elementos positivos y elementos negativos . El conjunto de todos ellos forma el conjunto de circuitos con signo de un matroide orientado en . Los matroides orientados que se pueden realizar de esta manera se denominan representables .

Dado el mismo conjunto de vectores , podemos definir el mismo matroide orientado con un quirótopo . Para cualquier let

donde el lado derecho de la ecuación es el signo del determinante . Entonces es el quirótopo del mismo matroide orientado en el conjunto .

Disposiciones de hiperplanos

Una disposición de hiperplanos real es un conjunto finito de hiperplanos en , cada uno de los cuales contiene el origen. Al elegir un lado de cada hiperplano como el lado positivo, obtenemos una disposición de semiespacios. Una disposición de semiespacios descompone el espacio ambiente en una colección finita de celdas, cada una definida por el lado de cada hiperplano en el que cae. Es decir, asigna cada punto al conjunto con signo si está en el lado positivo de y si está en el lado negativo de . Esta colección de conjuntos con signo define el conjunto de covectores del matroide orientado, que son los vectores del matroide orientado dual. [7]

Politopo convexo

Günter M. Ziegler introduce matroides orientados a través de politopos convexos.

Resultados

Orientabilidad

Un matroide estándar se llama orientable si sus circuitos son los soportes de circuitos con signo de algún matroide orientado. Se sabe que todos los matroides representables reales son orientables. También se sabe que la clase de matroides orientables está cerrada bajo la toma de menores , sin embargo se sabe que la lista de menores prohibidos para matroides orientables es infinita. [8] En este sentido, los matroides orientados son una formalización mucho más estricta que los matroides regulares.

Dualidad

Así como un matroide tiene duales únicos , un matroide orientado tiene un dual único, a menudo llamado su "dual ortogonal". Esto significa que los matroides subyacentes son duales y que los cocircuitos están signados de modo que son "ortogonales" a cada circuito. Se dice que dos conjuntos signados son ortogonales si la intersección de sus soportes está vacía o si la restricción de sus elementos positivos a la intersección y elementos negativos a la intersección forman dos conjuntos signados no idénticos y no opuestos. La existencia y unicidad del matroide orientado dual depende del hecho de que cada circuito signado es ortogonal a cada cocircuito signado. [9]

Para ver por qué la ortogonalidad es necesaria para la unicidad, basta con observar el ejemplo del dígrafo anterior. Sabemos que, en el caso de los grafos planares, el dual del matroide de circuito es el matroide de circuito del dual planar del grafo . Por lo tanto, hay tantos pares duales diferentes de matroides orientadas en función del matroide del grafo como formas de orientar el grafo y, de manera correspondiente, su dual.

Para ver la construcción explícita de este único matroide ortogonal dual orientado, considere el quirótopo de un matroide orientado . Si consideramos una lista de elementos de como una permutación cíclica, entonces definimos como el signo de la permutación asociada. Si se define como

entonces es el quirótopo del único matroide ortogonal dual orientado. [10]

Representación topológica

Este es un ejemplo de una disposición pseudolineal que es distinta de cualquier disposición lineal.

No todos los matroides orientados son representables, es decir, no todos tienen realizaciones como configuraciones puntuales o, equivalentemente, disposiciones de hiperplano. Sin embargo, en cierto sentido, todos los matroides orientados se acercan a tener realizaciones como disposiciones de hiperplano. En particular, el teorema de representación topológica de Folkman-Lawrence establece que cualquier matroide orientado tiene una realización como una disposición de pseudoesferas . Una pseudoesfera -dimensional es una incrustación de tal que existe un homeomorfismo de modo que incrusta como un ecuador de . En este sentido, una pseudoesfera es simplemente una esfera domesticada (a diferencia de las esferas salvajes ). Una disposición de pseudoesferas en es una colección de pseudoesferas que se intersecan a lo largo de pseudoesferas. Finalmente, el teorema de representación topológica de Folkman-Lawrence establece que cada matroide orientado de rango puede obtenerse a partir de una disposición de pseudoesferas en . [11] Lleva el nombre de Jon Folkman y Jim Lawrence, quienes lo publicaron en 1978.

Geometría

Suma de Minkowski de cuatro segmentos de línea. El panel izquierdo muestra cuatro conjuntos, que se muestran en una matriz de dos por dos. Cada uno de los conjuntos contiene exactamente dos puntos, que se muestran en rojo. En cada conjunto, los dos puntos están unidos por un segmento de línea rosa, que es la envoltura convexa del conjunto original. Cada conjunto tiene exactamente un punto que se indica con un símbolo más. En la fila superior de la matriz de dos por dos, el símbolo más se encuentra en el interior del segmento de línea; en la fila inferior, el símbolo más coincide con uno de los puntos rojos. Esto completa la descripción del panel izquierdo del diagrama. El panel derecho muestra la suma de Minkowski de los conjuntos, que es la unión de las sumas que tienen exactamente un punto de cada conjunto de sumandos; para los conjuntos mostrados, las dieciséis sumas son puntos distintos, que se muestran en rojo: Los puntos de suma rojos de la derecha son las sumas de los puntos de sumando rojos de la izquierda. La envoltura convexa de los dieciséis puntos rojos está sombreada en rosa. En el interior rosa del conjunto sumando de la derecha se encuentra exactamente un símbolo más, que es la suma (única) de los símbolos más del lado derecho. El símbolo más de la derecha es, de hecho, la suma de los cuatro símbolos más de los conjuntos de la izquierda, exactamente dos puntos de los conjuntos sumandos no convexos originales y dos puntos de las envolturas convexas de los conjuntos sumandos restantes.
Un zonotopo, que es una suma de Minkowski de segmentos de línea, es un modelo fundamental para los matroides orientados. Los dieciséis puntos de color rojo oscuro (a la derecha) forman la suma de Minkowski de los cuatro conjuntos no convexos (a la izquierda), cada uno de los cuales consta de un par de puntos rojos. Sus envolturas convexas (sombreadas en rosa) contienen signos más (+): el signo más de la derecha es la suma de los signos más de la izquierda.

La teoría de matroides orientadas ha influido en el desarrollo de la geometría combinatoria , especialmente la teoría de politopos convexos , zonotopos y configuraciones de vectores (equivalentemente, disposiciones de hiperplanos ). [12] Muchos resultados (el teorema de Carathéodory , el teorema de Helly , el teorema de Radon , el teorema de Hahn-Banach , el teorema de Kerin-Milman , el lema de Farkas ) pueden formularse utilizando matroides orientadas apropiadas. [13]

Mejoramiento

En geometría convexa, el algoritmo símplex para programación lineal se interpreta como el trazado de un camino a lo largo de los vértices de un poliedro convexo. La teoría matroide orientada estudia los invariantes combinatorios que se revelan en los patrones de signos de las matrices que aparecen a medida que los algoritmos pivotantes intercambian bases.

El desarrollo de un sistema axiomático para matroides orientadas fue iniciado por R. Tyrrell Rockafellar para describir los patrones de signos de las matrices que surgen a través de las operaciones de pivoteo del algoritmo simplex de Dantzig; Rockafellar se inspiró en los estudios de Albert W. Tucker sobre dichos patrones de signos en "Tucker tableaux". [14]

La teoría de matroides orientados ha llevado a grandes avances en la optimización combinatoria . En programación lineal , fue el lenguaje en el que Robert G. Bland formuló su regla de pivote , por la cual el algoritmo símplex evita los ciclos. De manera similar, Terlaky y Zhang la utilizaron para demostrar que sus algoritmos entrecruzados tienen terminación finita para problemas de programación lineal . Todd y Terlaky obtuvieron resultados similares en programación cuadrática convexa. [15] Se ha aplicado a la programación lineal-fraccional , [16] a problemas de programación cuadrática y a problemas de complementariedad lineal . [17] [18] [19]

Fuera de la optimización combinatoria , la teoría matroide orientada también aparece en la minimización convexa en la teoría de "programación monotrópica" de Rockafellar y nociones relacionadas de "descenso fortificado". [20] De manera similar, la teoría matroide ha influido en el desarrollo de algoritmos combinatorios, particularmente el algoritmo greedy . [21] De manera más general, un greedoide es útil para estudiar la terminación finita de algoritmos.

Referencias

  1. ^ R. Tyrrell Rockafellar 1969. Anders Björner y otros, capítulos 1-3. Jürgen Bokowski, Capítulo 1. Günter M. Ziegler , Capítulo 7.
  2. ^ Björner y otros, capítulos 1-3. Bokowski, Capítulos 1-4.
  3. ^ Debido a que los matroides y los matroides orientados son abstracciones de otras abstracciones matemáticas, casi todos los libros relevantes están escritos para científicos matemáticos y no para el público en general. Para aprender sobre los matroides orientados, una buena preparación es estudiar el libro de texto sobre optimización lineal de Nering y Tucker, que está repleto de ideas sobre los matroides orientados, y luego continuar con las conferencias de Ziegler sobre politopos.
  4. ^ Björner y otros, Capítulo 7.9.
  5. ^ GJ Minty (1966), Sobre los fundamentos axiomáticos de las teorías de grafos lineales dirigidos, redes eléctricas y programación de redes. J. Math. Mech. 15: 485–520. Reimpreso en DR Fulkerson, ed., Graph Theory , MAA Study No. 12, Mathematical Association of America.
  6. ^ Björner y otros, Capítulo 3.5
  7. ^ * Björner, Anders ; Las Vergnas, Michel ; Sturmfels, Bernd ; White, Neil; Ziegler, Günter (1999). Matroides orientadas . Enciclopedia de matemáticas y sus aplicaciones. Vol. 46 (2.ª ed.). Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-77750-6. OCLC  776950824. Zbl  0944.52006.
  8. ^ Björner y otros, Capítulo 7.9
  9. ^ Björner y otros, Capítulo 3.4
  10. ^ Björner y otros, Capítulo 3.6
  11. ^ Björner y otros, Capítulo 5.2
  12. ^ Bachem y Kern, capítulos 1 a 2 y 4 a 9. Björner y otros, capítulos 1 a 8. Ziegler, capítulos 7-8. Bokowski, capítulos 7 a 10.
  13. ^ Bachem y Wanka, capítulos 1 a 2, 5, 7 a 9. Björner y otros, capítulo 8.
  14. ^ Rockafellar, R. Tyrrell (1969). "Los vectores elementales de un subespacio de R N {\displaystyle R^{N}} (1967)" (PDF) . En RC Bose ; Thomas A. Dowling (eds.). Combinatorial Mathematics and its Applications . The University of North Carolina Monograph Series in Probability and Statistics. Chapel Hill, Carolina del Norte: University of North Carolina Press. págs. 104–127. MR  0278972.
  15. ^ Björner y otros, capítulos 8-9. Fukuda y Terlaky. Compárese con Ziegler.
  16. ^ Illés, Szirmai y Terlaky (1999)
  17. ^ Fukuda y Terlaky (1997)
  18. ^ Fukuda y Terlaky (1997, pág.385)
  19. ^ Fukuda y Namiki (1994, pág.367)
  20. ^ Rockafellar 1984 y 1998.
  21. ^ Lawler. Rockafellar 1984 y 1998.


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