随机图理论基础。

# 符号约定

在这篇文章中,我们约定以花体 \mathscr 表示集族,以空心大写字体 \mathbb 表示概率范畴下的量,如概率 P\mathbb{P}, 期望 E\mathbb{E}, 方差 D\mathbb{D} 等。对于一般的图,我们以正常的大写字母 GG 表示。

# 随机图模型基础

# 定义

定义 1 以𝒢n,m𝒢_{n,m} 表示含有nn 个顶点,mm 条边的所有图组成的集合。对每个G∈𝒢n,mG \in 𝒢_{n,m},定义概率P(G)=((n2)m)−1\mathbb{P}(G) = \binom{\binom{n}{2}}{m}^{-1}。这样,我们将通过nn 个顶点按此概率生成的图称为一个标准随机图 (uniform random graph),记作Gn,m=([n],En,m)\mathbb{G}_{n,m} = ([n],E_{n,m})。

定义 2
此外,我们引入一个概率p∈[0,1]p \in [0,1] 作为在图中加入一条边的概率。于是得到图G∈𝒢n,mG \in 𝒢_{n,m} 的概率为P(G)=pm(1−p)(n2)−m\mathbb{P}(G) = p^m(1-p)^{\binom{n}{2}-m}。我们将按此概率生成的图称为一个二项随机图 (binomial random graph),记作Gn,p=([n],En,p)\mathbb{G}_{n,p} = ([n],E_{n,p})。

随机图的这两个模型之间存在明显的相关关系。比如,如果确定Gn,p\mathbb{G}_{n,p} 的边数为mm,则边数为mm 的各图的出现是等可能的,概率均为((n2)m)−1\binom{\binom{n}{2}}{m}^{-1}。这根据条件概率显然可以得到。

对于数目较大的nn,我们认为在边出现的概率为pp 的前提下,边数mm 的最可能值为m=(n2)p≈n2p2m = \binom{n}{2}p \approx \tfrac{n^2p}{2}。或者说p≈2mn2p \approx \tfrac{2m}{n^2},此时两种图将会产生相似的性质。下面,我们将进一步量化相似性质这一概念。

引理 1 我们定义图的性质𝒫𝒫是𝒢n𝒢_{n} 的一个子集,设概率p=m/(n2)p = m/\binom{n}{2},其中m=m(n)→∞m = m(n) \to \infty,且(n2)−m→∞\binom{n}{2}-m \to \infty。则对于充分大的nn,我们有

12πmP(Gn,m∈𝒫)≤P(Gn,p∈P)≤12π(n2)P(Gn,m∈𝒫).\frac{1}{\sqrt{2\pi m}}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m} \in 𝒫) \leq \mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p}\in \mathbb{P})\leq \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m} \in 𝒫).

证明

P(Gn,p∈𝒫)=∑k=0(n2)P(Gn,p∈𝒫∣∣En,p∣=k)P(∣En,p∣=k)=∑k=0(n2)P(Gn,k∈𝒫)P(∣En,p∣=k)≥P(Gn,m∈𝒫)P(∣En,p∣=m).\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p} \in 𝒫) = \sum_{k=0}^\binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p}\in 𝒫||E_{n,p}| = k)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = k) = \sum_{k=0}^\binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,k}\in 𝒫)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = k) ≥ \mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m}\in 𝒫)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = m).

根据斯特林公式k!≈2πk(ke)kk!≈\sqrt{2\pi k}(\tfrac{k}{e})^k 估计P(∣En,p∣=m)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = m),并简记(n2)≜N\binom{n}{2} ≜ N,有

P(∣En,p∣=m)=(Nm)pm(1−p)N−m≈2πNNNpm(1−p)N−m2πm(N−m)≈N2πm(N−m)≥12πm.\mathbb{P}(|E_{n,p}| = m) = \binom{N}{m}p^m(1-p)^{N-m} ≈ \frac{\sqrt{2\pi N}N^N p^m(1-p)^{N-m}}{2\pi\sqrt{m(N-m)}}\approx \sqrt{\frac{N}{2\pi m (N-m)}} \geq \frac{1}{\sqrt{2\pi m}}.

代入原式即可证明。

同样地,我们也可以向上放缩,得到P(Gn,p∈𝒫)=∑k=0(n2)P(Gn,p∈𝒫∣∣En,p∣=k)P(∣En,p∣=k)=∑k=0(n2)P(Gn,k∈𝒫)P(∣En,p∣=k)≤(n2)P(Gn,m∈𝒫)P(∣En,p∣=m).\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p} \in 𝒫) = \sum_{k=0}^\binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p}\in 𝒫||E_{n,p}| = k)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = k) = \sum_{k=0}^\binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,k}\in 𝒫)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = k) ≤ \binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m}\in 𝒫)\mathbb{P}(|E_{n,p}| = m).

同样根据斯特林公式估计,有

P(∣En,p∣=m)=(Nm)pm(1−p)N−m≈2πNNNpm(1−p)N−m2πm(N−m)≈N2πm(N−m)≤12π.\mathbb{P}(|E_{n,p}| = m) = \binom{N}{m}p^m(1-p)^{N-m} ≈ \frac{\sqrt{2\pi N}N^N p^m(1-p)^{N-m}}{2\pi\sqrt{m(N-m)}}\approx \sqrt{\frac{N}{2\pi m (N-m)}} \leq \frac{1}{\sqrt{2\pi}}.

此时代入上式,可得

2πP(Gn,p∈𝒫)≤(n2)P(Gn,m∈𝒫).\sqrt{2\pi}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p} \in 𝒫) \leq \binom{n}{2}\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m} \in 𝒫).

即原式成立。

但是,我们发现上面的估计是不准确的,且可以构造出几乎取到等号的例子。于是我们考虑对性质𝒫𝒫加以限制,得到更好的估计。

定义 2 如果G∈𝒫G \in 𝒫蕴含G+e∈𝒫G+e \in 𝒫,那么我们称性质𝒫𝒫是单调递增的 (monotone increasing)。例如,图的连通性和哈密顿性 (即是否为哈密顿图) 是单调递增的,但是否为欧拉图不是单调递增的。如果空图Kˉn∉𝒫\bar K_n \notin 𝒫且完全图Kn∈𝒫K_n \in 𝒫,那么我们称性质𝒫𝒫是不平凡的。类似地,如果G∈𝒫G \in 𝒫蕴含G−e∈𝒫G-e \in 𝒫,那么我们称性质𝒫𝒫是单调递减的 (monotone decreasing)。例如,图的平面性 (是否为平面图) 是一个单调递减的。

显然,若性质𝒫𝒫是单调递增的,那么𝒫ˉ\bar 𝒫是单调递减的。于是,在通常情况下,只需要考虑单调递增的性质。

对于单调递增的性质𝒫𝒫,我们容易得到若p<p′p<p',m<m′m<m',则P(Gn,p∈𝒫)≤P(Gn,p′∈𝒫)\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p} \in 𝒫) \leq \mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p'} \in 𝒫),P(Gn,m∈𝒫)≤P(Gn,m′∈𝒫)\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m} \in 𝒫) \leq \mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m'} \in 𝒫)。(构建对应关系则易于证明)

在此基础上,我们可以类似引理 1 给出一个对Gn,m\mathbb{G}_{n,m} 和Gn,p\mathbb{G}_{n,p} 的估计。但由于性质𝒫𝒫是单调的,因此估计会更加准确。

引理 2 对单调递增的性质𝒫𝒫,若N=(n2)N = \binom{n}{2},p=mNp = \tfrac{m}{N},对满足Np→∞Np \to \infty 且N(1−p)/(Np)12→∞N(1-p)/(Np)^\tfrac{1}{2} \to \infty 的充分大的NN 及某概率pp,有

P(Gn,m∈𝒫)≤3P(Gn,p∈𝒫).\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,m} \in 𝒫) \leq 3\mathbb{P}(\mathbb{G}_{n,p} \in 𝒫).

以上是我们所说的Gn,p\mathbb{G}_{n,p} 与Gn,m\mathbb{G}_{n,m} 的关系。于是,我们研究随机图时,可以以其中一个作为突破点进行研究。

对于Gn,p1\mathbb{G}_{n,p_1} 与Gn,p2\mathbb{G}_{n,p_2},我们规定它们的并为Gn,p=Gn,p1∪Gn,p2\mathbb{G}_{n,p} = \mathbb{G}_{n,p_1}\cup\mathbb{G}_{n,p_2},其中1−p=1−p1−p2+p1p21-p = 1 - p_1 - p_2 + p_1p_2。其中,Gn,p1\mathbb{G}_{n,p_1} 与Gn,p2\mathbb{G}_{n,p_2} 独立,其各自生成边后去掉重复的边,就得到了图Gn,p\mathbb{G}_{n,p}。这时我们可以说Gn,p1⊆Gn,p\mathbb{G}_{n,p_1} \subseteq \mathbb{G}_{n,p}。

类似地,对Gn,m1\mathbb{G}_{n,m_1} 和Gn,m2\mathbb{G}_{n,m_2},我们类似地称Gn,m1+m2\mathbb{G}_{n,m_1+m_2} 是Gn,m1\mathbb{G}_{n,m_1} 与Gn,m2\mathbb{G}_{n,m_2} 的并。

# 度序列

我们知道,顶点的度是简单图的一个基本量。对于属于同一图G∈𝒢(n,p)G \in 𝒢(n,p) 的两个相异顶点x,y∈Vx,y \in V,在nn 较大时,我们一般认为两点的度dG(x)d_G(x) 与dG(y)d_G(y) 是独立的随机变量

度序列 (degree sequence)

# 排序问题

熟知的是,对nn 个元素组成的全序关系,基于比较的排序复杂度为O(nlog⁡n)\mathcal O(n\log n) 次。但基于比较的排序存在一个缺点,就是后面的排序对象需要根据前面的答案进行确定。

在排序算法中,我们将宽度 (width) 定义为在任何一轮问题中进行的最大探测数,将深度 (depth) 定义为算法所需要的最大轮数。于是,在不限制宽度和深度的前提下,排序算法的比较次数下限为log⁡2n!\log_2 n! 级别。