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康韦 99 图问题

《图论中的 50 个公开问题》 · 问题 33 专题综述

题面存在 99 顶点、度 10、直径 2 且删任一点仍直径 2 的图吗?

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

康韦 1990 年代造出一个 96 顶点的 «近品»(度 10、直径 2、删任一点直径 2—— «几乎 Moore»)后悬赏一千美元:是否存在 99 顶点的这种图。这是 «degree/diameter 问题»(给定度 d 与直径 k,最大阶 N(d,k) 是多少)的标志性缺口。

主要概念

Moore 界与 Moore 图

度 d、直径 k 的图至多有 1 + dΣj=0k−1(d−1)j 个顶点(Moore 界, «球填充» 论证:从一点出发各层至多 (d−1)ⁱ 增长)。达到 Moore 界的图叫 Moore 图——直径 2 的 Moore 图只有 K₁、Kd+1、五边形、Hoffman–Singleton 图(度 7,50 点)与 «可能的度 57»(Damerell 定理:若存在则度 ∈ {2,3,7,57})。度 10 的 Moore 图不存在(99 = Moore 界 1+10+90),99 图是 «差 0 的不可能» 之下的 «最小缺口»—— «删任一点仍直径 2»(点韧性)是比 Moore 差 1 的次级目标。

谱约束

直径 2 ⟺ 邻接矩阵 A 满足 A² 无零格(每对点距离 ≤ 2);度 10、n = 99 时 «Moore 缺口» = 0 表示 «完美»、99 的情形 «每对点恰在层 1 或 2» 强迫 A² 的非对角结构——谱界(最小特征值的 «最优» 分析)把 «候选图» 的自由度压到极少。

主要命题与证明

命题 1(Moore 界的球填充证明,完整) 度 d、直径 k、以 v 为根:j 层的顶点数 ≤ d(d−1)j−1( j ≥ 1)——归纳:层 j 的每点恰有一条 «回根» 路径(直径 ≤ k 保证),其 «孩子» 至多 d−1 个(扣父亲);总和 = Moore 公式。□

命题 2(Damerell–Bannai–Ito 定理) 直径 2 的 Moore 图(除平凡)度为 {3, 7, 57} 之一:谱论证—— «A² 的对角 = d、非对角 ∈ {0,1}» 的组合约束 + 特征多项式的 «Hoffman 谱» 计算给出 «次数方程» 的整数根枚举。

命题 3(99 图的约束压缩) 若 99 图存在,其 «自同构群» 被计算机辅助约束为 «平凡» 或 «极小»: «高对称 ⇒ 阶整除» 与 «阶 99 的群结构»(99 = 9·11,候选群仅几个)把搜索空间压缩到 «非对称» 情形——而非对称情形的穷举至今未完。

进展与文献

Hoffman–Singleton 1960(Moore 图谱系);Damerell、Bannai–Ito 的 «Moore 定理»;Conway 的悬赏与 96 图(Macaj–Širáň 型 «几乎 Moore» 构造族);McKay–Miller–Širáň 的 «接近 Moore» 无穷族(度 d、阶 ≈ (8/9)·Moore 界—— «渐进最优» 的构造里程碑)。开放核心:99 图的有无; «MMŠ 型» 构造能否 «补缺口» 到 99;度 57 Moore 图的存在性( «五边形家族的最后谜团»,与 99 图同属 degree/diameter 的两大悬案)。

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