Άλγεβρα και θεωρία γραφημάτων

• Κύριος συγγραφέας: Μαντέλη, Δήμητρα
• Άλλοι συγγραφείς: Ζαγούρας, Χαράλαμπος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2008
• Θέματα: Συνσυνόλα; Θεωρία ομάδων; Θεωρία γραφημάτων; Υπολογιστική άλγεβρα; Υπολογιστικά συστήματα; Graph theory; Computational algebra; Group theory; Computer systems; 511.5

Σε αυτήν την εργασία, προσεγγίζουμε την συνύπαρξη δύο βασικών αλγεβρικών δομών για τις ανάγκες επίλυσης πολλών προβλημάτων των σύγχρονων Μαθηματικών. Οι δομές αυτές είναι οι ομάδες και τα γραφήματα, που με την ταυτόχρονη χρήση τους μας οδήγησαν στην μελέτη των G-γραφημάτων. Ειδικότερα θα δούμε τον τρόπο με τον οποίο η θεωρία ομάδων βοηθά στην μελέτη των γραφημάτων και πως η θεωρία γραφημάτων ανταποδίδει τη βοήθεια αυτή. Όλα αυτά, προσδιορίζονται-μελετώνται και επεκτείνονται με την υποστήριξη που προσφέρει στις μέρες μας η Υπολογιστική Άλγεβρα. Ο κλάδος αυτός των μαθηματικών υποβοηθούμενος από αλγορίθμους και υπολογιστικά αλγεβρικά συστήματα καθοδήγησε και υποστήριξε την μελέτη «δύσκολων» προβλημάτων. Αναμένεται να επεκτείνει τη μελέτη και την επίλυση και άλλων ανοικτών προβλημάτων στο μέλλον. Αναδεικνύεται κατά αυτό τον τρόπο, η αξία και η σπουδαιότητα της χρήσης υπολογιστικών μεθόδων ως σημαντικού εργαλείου στην μελέτη γραφημάτων και ομάδων. Η εργασία έχει οργανωθεί σε εννέα κεφάλαια. Αρχικά γίνεται αναφορά στην Υπολογιστική Άλγεβρα. Υπολογιστική Άλγεβρα είναι ο κλάδος των Μαθηματικών ο οποίος ασχολείται με τις τεχνικές που εκτελούν τους αλγεβρικούς υπολογισμούς με την βοήθεια των υπολογιστών. Η λογική διαδικασία που χρησιμοποιεί φτιάχνεται από τις βασικές θεωρίες των μαθηματικών θεμάτων που επεξεργάζονται και επεκτείνονται από : 1) αλγορίθμους και δομές δεδομένων 2) γλώσσες προγραμματισμού και συστήματα λογισμικού 3) μέσα διασύνδεσης ανάμεσα στα αλγεβρικά υπολογιστικά συστήματα και τους χρησιμοποιούμενους αλγορίθμους. Οι «υπολογισμοί» πάνω σε διάφορα θέματα, είχαν απασχολήσει τον άνθρωπο από τα παλιά χρόνια γιατί πάντα ήθελε να δώσει λύσεις στα προβλήματά του. Στις μέρες μας, υπολογίζουμε περισσότερο για ερευνητικούς λόγους, για να επεκτείνουμε τους ήδη υπάρχοντες αλγορίθμους σε ευρύτερες περιοχές και για να επιλύσουμε σύγχρονα προβλήματα της επιστήμης. Πολλά από τα προβλήματα που σήμερα είναι “μη επιλύσιμα” στα Μαθηματικά, αφορούν στις Ομάδες. Στα Μαθηματικά Ομάδα (group) είναι ένα σύνολο, μαζί με μία διμελή πράξη (όπως ο πολλαπλασιασμός και η πρόσθεση) που ικανοποιούν βασικά αξιώματα που περιγράφονται λεπτομερώς στο κεφάλαιο 2 της εργασίας. Η σημασία των ομάδων στα Μαθηματικά είναι μεγάλη. Πολλά από τα αντικείμενα που ερευνώνται στα μαθηματικά είναι ομάδες. Γνωστά σύνολα αριθμών, όπως οι ακέραιοι, οι ρητοί, οι πραγματικοί και οι μιγαδικοί αριθμοί εφοδιασμένα με την πράξη της πρόσθεσης είναι ομάδες. Η θεωρία ομάδων θεμελιώνει τις ιδιότητες αυτών των συστημάτων και ανακαλύπτει πολλές άλλες. Τα αποτελέσματά της είναι ευρέως εφαρμόσιμα. Σημαντική αναφορά γίνεται στην ομάδα των μεταθέσεων n αντικειμένων (συμμετρική ομάδα) και την εναλλακτική ομάδα (είναι η ομάδα άρτιου αριθμού μεταθέσεων η αντικειμένων). Ενδιαφέρον θέμα είναι η δημιουργία νέων ομάδων από τις παλιές. Έτσι γίνεται σημαντικός ο ρόλος της υποομάδας, αλλά και των διαμερίσεων των ομάδων, πράγμα που επιτυγχάνεται ικανοποιητικά με την βοήθεια των «συνσυνόλων», της υποομάδας και των τροχιών (orbits). Ιδιαίτερο ρόλο στην θεωρία των ομάδων παίζουν οι μορφισμοί που μελετούν τις σχέσεις ανάμεσα στις ομάδες και ορίζονται με ειδικές συναρτήσεις οι οποίες παίρνουν αντικείμενα από μία ομάδα και τα αντιστοιχούν σε μία άλλη Εξετάζοντας τους μορφισμούς μας επιτρέπεται να κάνουμε σημαντική ανάλυση των σχέσεων ανάμεσα στις ομάδες. Επίσης οι μορφισμοί με τις αντιστοιχίσεις τους συνδέουν τις ομάδες με τα γραφήματα. Οι ομάδες υπογραμμίζουν πολλές άλλες αλγεβρικές δομές όπως τα πεδία και τα διανύσματα χώρου. Είναι επίσης σημαντικά εργαλεία για την μελέτη της συμμετρίας σε όλους τους τύπους. Η άποψη ότι η συμμετρία ενός αντικειμένου σχηματίζει μια ομάδα είναι θεμελιώδης για πολλά Μαθηματικά. Γι αυτές τις αιτίες η Θεωρία ομάδων είναι μια σημαντική περιοχή στα μοντέρνα μαθηματικά και με πολλές εφαρμογές σε άλλους κλάδους όπως η φυσική. Τα γραφήματα(graphs), τα κατευθυνόμενα γραφήματα (directed graphs) και τα δέντρα (trees) εμφανίζονται σε πολλές περιοχές των Μαθηματικών και της επιστήμης των Υπολογιστών. Το κεφάλαιο 3 καλύπτει αυτά τα θέματα. Το γράφημα πολλών προβλημάτων, που αναφέρονται σε διακριτά αντικείμενα και διμελείς σχέσεις, είναι μία πολύ βολική μορφή αναπαράστασης. Αυτό μας οδήγησε στην μελέτη της θεωρίας των γραφημάτων. Τα γραφήματα έπαιξαν και παίζουν σημαντικότατο ρόλο στην ανάπτυξη αλγορίθμων, καθώς είναι τα μόνα εργαλεία στα μαθηματικά που μπορούν να παραστήσουν μία αλληλουχία σκέψεων. Στη θεωρία των γραφημάτων ορίζονται οι “περίπατοι”(walks), οι “αποστάσεις” (distances), τα “υπογραφήματα” (subgraphs) και τέλος οι “μορφισμοί” (morphisms) που είναι ανάλογοι με εκείνους των ομάδων. Ιδιαίτερο ρόλο παίζει η συνδεσιμότητα (connectivity), κυρίαρχη δε για τους αλγορίθμους είναι η έννοια του “δέντρου” (tree). Δύο σημαντικά αλγοριθμικά προβλήματα που απασχολούν τους επιστήμονες είναι Α) ο έλεγχος δύο γραφημάτων ως προς τον ισομορφισμό Β) η εύρεση της ομάδας αυτομορφισμού ενός γραφήματος Τα παραπάνω προβλήματα δεν είναι πάντοτε επιλύσιμα. Εντούτοις σε μερικές περιπτώσεις μπορούν να επιλυθούν με τη βοήθεια αλγορίθμων που υποστηρίζονται από τα υπολογιστικά συστήματα GAP, NAUTY, και MAGMA Συνεχίζοντας στα κεφάλαια 4,5,6 κάνουμε μία μικρή περιγραφή στα κυριότερα για τους παραπάνω στόχους υπολογιστικά αλγεβρικά συστήματα. Η κύρια χρήση των υπολογιστικών αυτών συστημάτων είναι η σύνδεση των παραπάνω δομών (ομάδων και γραφημάτων). Εστιάζουν στους υπολογισμούς των μεταθέσεων n στοιχείων, τον υπολογισμό των μορφισμών των ομάδων, των συνσυνόλων, των τροχιών και των πυρήνων. Το αλγεβρικό Υπολογιστικό Σύστημα GAP, (Groups, Algorithms, Programming) περιέχει ένα «ανοικτό» λογισμικό στο χρήστη, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί κανείς να γράψει τα δικά του προγράμματα στη γλώσσα GAP και να τα χρησιμοποιήσει ακριβώς με τον ίδιο τρόπο όπως και τα προγράμματα τα οποία αποτελούν μέρος του συστήματος. Από την άλλη μεριά το ίδιο είναι εφοδιασμένο με μία μεγάλη βιβλιοθήκη συναρτήσεων η οποία υποστηρίζει αλγεβρικούς και άλλους αλγορίθμους. Αρχικά όλα τα προγράμματα της GAP βιβλιοθήκης ήταν γραμμένα στη γλώσσα προγραμματισμού C, τώρα όμως όλα τα προγράμματα έχουν γραφτεί στη γλώσσα GAP. Στο τέλος του κεφαλαίου 4, δίνονται παραδείγματα εφαρμογής προγραμμάτων του GAP πάνω στους ομοιομορφισμούς των ομάδων. To nauty (no automorphisms, yes?) είναι ένα σύνολο διαδικασιών για προσδιορισμό του αυτομορφισμού μιας ομάδας από ένα γράφημα χρωματισμένων κορυφών. Παρουσιάζει αυτήν την πληροφορία αφού του δοθεί ένα σύνολο γεννητόρων, το μέγεθος της ομάδας και ο αριθμός των τροχιών της ομάδας. Μπορεί επίσης να δώσει έναν ισομορφισμό του γραφήματος. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιεί το nauty είναι μία προς τα πίσω διαδρομή που μπορεί να περιγραφεί σε ομάδες ενός συνηθισμένου δέντρου αναζήτησης. Διάφορα μεγέθη και παράμετροι καθορίζουν την πορεία της διαδικασίας, της οποίας η έξοδος δίνεται σε επίπεδα. Το magma, είναι ένα υπολογιστικό αλγεβρικό σύστημα, σχεδιασμένο να επιλύει προβλήματα στην Άλγεβρα, στη Θεωρία Αριθμών, στη Γεωμετρία και σε συνδυασμούς των παραπάνω Μαθηματικών θεμάτων. Μπορεί να αναπτύξει «εκλεπτυσμένα Μαθηματικά», τα οποία είναι υπολογιστικά δύσκολα. Παρέχει ένα αυστηρό Μαθηματικό περιβάλλον, το οποίο δίνει έμφαση στον διαρθρωτικό υπολογισμό. Ένα χαρακτηριστικό κλειδί είναι η δυνατότητα να συναρμολογεί κανονικές αντιπροσωπεύσεις δομών. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι: α) αλγεβρική φιλοσοφία σχεδιασμού, β) καθολικότητα, γ) ενοποίηση, δ) παρουσίαση. Το πρόγραμμα, παρέχει στο χρήστη μία συλλογή βιβλιοθηκών και αρχείων τεκμηρίωσης που βρίσκονται όλες σε έναν κατάλογο που το ίδιο περιέχει. Η μελέτη των G-graphs στο κεφάλαιο 7 έχει οργανωθεί ως εξής: Πρώτα δίνουμε τον ορισμό ενός G-graph. Έπειτα περιγράφουμε μερικούς βασικούς αλγορίθμους για συνδυασμούς ομάδων οι οποίοι χρησιμοποιούνται στην μελέτη των G-graphs. Μετά θα συζητήσουμε την αποτελεσματική αποθήκευση και δομή των G-graphs, και πώς να χρησιμοποιηθεί ένας μεταβαλλόμενος τύπος για να υπολογίζει αποτελεσματικά πολλές ιδιότητες ενός G-graph. Στη συνέχεια συγκεντρώνουμε τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται, με τη χρήση του NAUTY. Στο κεφάλαιο 8 μας απασχολεί η ταξινόμηση των γραφημάτων που είναι μεταβατικά ως προς την απόσταση (distance transitive graphs). Αυτά είναι τα γραφήματα των οποίων οι ομάδες αυτομορφισμού είναι μεταβατικές πάνω σε κάθε σύνολο ζευγαριών κορυφών σε απόσταση i, για i=0,1,2,.. Παρουσιάζεται μία εισαγωγή σε αυτήν την κατηγορία γραφημάτων και θεωρήματα από τα οποία διέπονται. Με τη χρήση της κατηγορίας των πεπερασμένων απλών ομάδων, φαίνεται πιθανό να βρεθούν όλα τα γραφήματα που είναι μεταβατικά ως προς την απόσταση. Τέλος στο κεφάλαιο 9 μελετάται η έννοια της απαρίθμησης συνσυνόλων (coset enumeration) που τα παραπάνω υπολογιστικά συστήματα προσπαθούν επίσης να αντιμετωπίσουν. Απαρίθμηση συνσυνόλων είναι το πρόβλημα της μέτρησης των συνσυνόλων μιας υποομάδας Η μιας ομάδας G. Η απαρίθμηση συνσυνόλων είναι μια από τις παλαιότερες και πιο χρήσιμες μεθόδους της υπολογιστικής θεωρίας ομάδων. Το 1936 οι Τodd και Coxeter ανακάλυψαν μία διαδικασία για να απαριθμούν τα συνσύνολα μιας υποομάδας από μία ομάδα. Αυτό αποδείχτηκε ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη των πεπερασμένων “παρουσιαζόμενων” ομάδων (presented groups) στην υπολογιστική θεωρία τoυς. Παλιότερα το 1911, ο Dehm πρότεινε την επίλυση του “Προβλήματος των λέξεων”. Αυτό είναι η εύρεση ενός αλγορίθμου που να αποφασίζει αν σε μία ομάδα που ορίζεται από ένα πεπερασμένο σύνολο γεννητόρων (generators) και σχέσεων (relators), μία λέξη (word) στους γεννήτορες παριστάνει το ταυτοτικό στοιχείο (identical element). Το πρόβλημα που έθεσε ο Dehn προσπάθησαν πολλοί αργότερα να επιλύσουν με τοπολογικούς στοχασμούς. Σήμερα, η περιοχή αυτή της Υπολογιστικής Θεωρίας των ομάδων έχει αναπτυχθεί γρήγορα μέσω του σχεδιασμού , της ανάπτυξης και της εφαρμογής των Αλγορίθμων, καθώς και εξαιτίας του αυξανομένου αριθμού των Μαθηματικών επιστημόνων που έχουν εργαστεί πάνω σε αυτά τα θέματα. Στο κεφάλαιο 9 δίνουμε μία μικρή περιγραφή του αλγορίθμου των Todd-Coxeter. Αξίζει να σημειωθεί ότι το πρόβλημα των λέξεων σήμερα είναι επιλύσιμο για πολλές όχι όμως όλες τις ομάδες.