图表中的最大失衡?


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令为节点和边的连通图。令表示图的(整数)权重,的总权重。则每个节点的平均权重为。令表示节点与平均值的偏差。我们称节点的不平衡。GG=(V,E)V=1…nEwiG∑iwi=mw¯=m/nei=wi−w¯i|ei|i

假设任意两个相邻节点之间的权重最多相差,即 1

wi−wj≤1∀(i,j)∈E.

问题:就n和而言,网络可能具有的最大不平衡度是m多少?更精确地说,描绘向量e→=(e1,…,en)。我对与结果同样满意 | → e | | 1||e→||1或||e→||2。

对于||e→||∞,可以找到一个关于图直径的简单界限:由于所有ei必须加和为零,因此,如果存在大的正ei,则在某处一定存在负ej。因此,它们的区别|ei−ej|至少是|ei|,但此差异最多可能是节点i和之间的最短距离,而该距离j又最多可能是图形直径。

我对更强的边界感兴趣,最好是1或2范数。我想它应该包含一些频谱图理论来反映图的连通性。我尝试将其表示为最大流量问题,但无济于事。

编辑:更多的解释。我对1或2规范感兴趣,因为它们可以更准确地反映总的不平衡状态。从得到一个平凡的关系。| → e | | 1 ≤ ñ | | | → e | | ∞||e→||1≤n|||e→||∞和||e→||2≤n||e→||∞。但是,由于图的连通性以及我对相邻节点之间的负载差异的限制,我希望1和2范数应该小得多。

示例:的维d的超立方体。它的直径为d = log 2(n )。那么最大不平衡度最大为d。这建议作为1范数n d = n log 2(n )的上限。到目前为止,我还无法构建实际获得这种情况的情况,我能做的最好的事情就是| | → e | | 1 = n / 2n=2dd=log2⁡(n)d1nd=nlog2⁡(n)||e→||1=n/2,我在那里嵌入一个周期到超立方体,并具有节点具有不平衡,1,0,- 1等,所以,这里的边界是关闭的因素日志(ñ ),这一点我已经考虑太多,因为我正在寻找(渐近)紧界。010−1log⁡(n)


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有趣的问题。有什么特殊的应用程序吗?
— Suresh Venkat

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@AndrásSalamon:谢谢您的编辑。@Suresh Venkat:假设权重代表希望最小化其经验负荷的大小均一的代理商的数量。如果w i > w i,他们将希望从移到j。如果没有人愿意移动,我们称之为纳什均衡。问题:纳什均衡中最大的总失衡是多少?ijwi>wi
— Lagerbaer 2011年

您是否碰巧看到一个示例图,其中您的简单直径范围过于宽松?
— mhum 2011年

好吧,我可以使用来琐碎地约束其他两个规范。| → e | | 1 ≤ ñ | | → e | | ∞。我对1或2规范感兴趣,因为它们可以更准确地捕获“完全”不平衡。我在问题中添加了一个示例。||e→||1≤n||e→||∞12
— Lagerbaer 2011年

对于超立方体,如果我们通过顶点的汉明权重来加权顶点呢?我得到类似对于l2,我认为l1将是nd阶。d(n−2)/2l2l1nd
— Artem Kaznatcheev

Answers:


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由于由直径为界d,所述ℓ 1范数是要通过而轻易地界定Ñ d,同样地对于ℓ 2范数,除由√|ei|dℓ1ndℓ2(实际上ℓp范数为界Ñ 1 / p d)。ndℓpn1/pd

该的情况下被证明是非常容易分析。ℓ1

对于一个路径,很容易看到是Ø (ñ 2),所以你不能做任何优于Ø (ñ d )。‖e→‖1O(n2)O(nd)

对于完整的叉树,可以将其在根处分成两半,设置w root = 0,使一侧上升,另一侧下降,直到叶子具有|。Ë 我| = | w ^ 我| = log k n,再次产生O (n log k n )= O (n d )。kwroot=0|ei|=|wi|=logk⁡nO(nlogk⁡n)=O(nd)

对于集团而言,分配权重并不重要,因为权重都在之内,这将再次产生O (n )= O (n d )。1O(n)=O(nd)

当你意识到我们在这里谈论的是一个函数,然后我们正在采取的ℓ 1常态,只要你可以任意分配权重è 我 ∈ [ - d / 2 ,d / 2 ]均匀分布在范围内,则势必会ø (ñ d )。e:Z→[−d/2,d/2]⊂Rℓ1ei∈[−d/2,d/2]O(nd)

改变这种状况的唯一方法是与大众玩游戏。例如,如果您在几个必须平衡的点上有多个大型集团,例如一个具有两条等长路径的大型集团从其中伸出,那么您可以指望一个(例如)的边界。O(d2)

扩展器在某种程度上也可能是正确的,但我不确定。我可以想象这样一种情况:您在规则图中设置,然后让值从每一跳开始依次增加。均值似乎可能具有最大质量,但我不知道它是否足以影响界限。w1=0

我认为您可以对2 做出类似的推理。ℓ2

编辑:

评价我们想出一种(松散的)结合的ø (| Ë | / λ 2(大号))使用问题的约束和一些基本谱图理论。ℓ2O(|E|/λ2(L))


我喜欢你的回答。但是,我有一个问题,“ 只要您可以在整个范围内任意平均分配权重 ”。我是否可以设想这样一种情况,即直径限制将允许我将权重放置在某处,但是图形的结构使我无法补偿这么大的正权重?因此,尽管O(n d )当然是一个上限,但是否有可能获得更严格的界限?最终使用第二小的Laplacian特征值或第二最大的邻接特征值(因为它们对连通性信息进行编码)?ei=d/2O(nd)
— 拉格贝尔

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好吧,您没有放置,而是放置了w i。因此,如果您有一个偏斜的e i,那么在均值的另一侧必须有大量的小权重对其进行补偿,或者与之截然相反的是其他一些较大的权重。可以使边界小于O (n d )的唯一方法是依靠某种方式。就像我说的,我不确定这对扩展器意味着什么。由于我在回答中列举的情况,我认为您不能仅基于电导率来执行此操作。eiwieiO(nd)
— Josephine Moeller

让我再举一个例子。具有两个派系甲哑铃图形具有非常低的导电性,但它的不平衡被2界
— 约瑟芬莫勒

与结构相关的约束将是我非常满意的。这就是为什么我提到特征值,因为它们与连接属性有关。就图的拉普拉斯矩阵的第二最小特征向量而言,例如直径,平均路径,等参数等都有界限。
— Lagerbaer 2011年

立即阅读您的其他示例。我期望这样的图也将具有非常小的第二最小的Laplacian特征值,因为等渗数约为。2/n
— Lagerbaer 2011年

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对于连接的图,不平衡量由图的直径上限。为了限制不平衡 ,我们可以将每个w k重写为w k − v 1 + v 1 − v 2 + v 2 − 。。。− v k + v k − w i + w i 其中w k,|wi−1/n∑kwk|wkwk−v1+v1−v2+v2−...−vk+vk−wi+wi是从 w i到 w k的最短路径。限定瓦特ķ 我 = 瓦特ķ - v 1 + v 1 - v 2 + v 2 - 。。。− v k + v k − w i。我们可以写 | w i − 1 /wk,v1,...,vk,wiwiwkwki=wk−v1+v1−v2+v2−...−vk+vk−wi

|wi−1/n∑kwk|=|wi−1/n∑k(wki+wi)|=|∑k≠iwkin|

每被上通过最短路径的长度为界从我到ķ通过您的假设,即瓦特我 - 瓦特Ĵ ≤ 1对于每个我,Ĵ ∈ Ë。因此,我们得到了微不足道的绑定: | w i − 1 / n ∑ k w k | ≤ (n − 1 )wkiikwi−wj≤1i,j∈E

|wi−1/n∑kwk|≤(n−1)nD

实际上,这可能离理想还差得远。我正在考虑一个完整的 -ary树,其中每个级别上的节点的权重比上一级的权重高一。曲线图的大部分具有最高的权重,d + 1。因此,平均值应偏向顶部。如ķ和Ñ变大,我期望米得到越来越接近d + 1,这意味着不平衡应该得到越来越接近d。kD+1knmD+1D


据我所知,这里绘制的结构可以严格设计,以达到所需的接近不平衡。但是,由于该问题并未指定在顶点不相邻时会发生什么,因此更容易构造的是完全分离的图,其中顶点0的权重为0,而所有其他顶点的权重为k。这具有平均权重k (n - 1 )/ n,这也是其最大不平衡度。这显然可以任意接近作出ķ选择一个足够大的ñ和ķD<∞00kk(n−1)/nknk可以做得足够大。
— 安德拉斯·萨拉蒙

G

1
||e→||∞
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