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能科普下随机图理论吗?

2020-11-30科学

谢邀。

我不是专门做极值图论的,说一下我了解的部分,如果有错欢迎指正。

随机图一直是纯数,应数,TCS都关注的方向。纯数关注于随机性和伪随机性,比如regularity lemma,还有随机图本身的性质,应数和TCS会做一些network的模型,听我一个做TCS的朋友说,这个方向一度很火,发了很多science和nature,但是现在的话该有的模型也都已经有了,大概变成基础知识了吧。

Random Graph的起源我想应该是1959年Erdos和Renyi的一篇文章,首次提出了Erdos-Renyi Graph。Random Graph的定义我想题主应该知道,是一个概率空间 (\Omega,\mathcal{F},\mathbb{p}) ,其中 \Omega 是一个图的family(或者更一般的定义 X:\Omega\to\mathcal{G} )。随机图的定义等价于 \mathbb{N} 上的random subset,所以研究堆垒数论也会用到。

说句题外话,Renyi有一句很有名的话大家应该都听说过:数学家是可以把咖啡转化成定理的机器。然而我喝了咖啡除了多去几次厕所就没别的了。

随机图的本质是概率论和随机过程,主要方法是概率方法,研究的方向很多,比如随机图本身的性质,Ramsey Problems,确定各种threshold。还有和其他方向的结合,比如我最近在做的一个问题是确定genus of random graphs generated by graphon。Graphon(可测函数 W:\Omega^2\to [0,1] )可以生成比Erdos-Renyi graph更一般的随机图。另外最近random graph processes也很火,比较流行的是differential equation method,引入ODE和PDE中强有力的分析工具解决离散的问题,已经解决了很多猜想了。

另外在数论上,我们也有pseudorandom graph来描述伪随机:不严格的说,具有随机性的确定的图。比如regularity lemma可以把大的图(或者等价的,大的 \mathbb{N} 的子集)分成常数 k 部分,使得几乎每两部分之间的边都是伪随机的,其中伪随机的「程度」只和 k 有关。pseudorandomness还可以和图的spectrum联系起来,因此可以使用代数工具,是一个很rich的理论。有兴趣可以读一下D. Conlon和J. Fox的论文。但是Regularity Lemma中常数 k 太大了,最近2012年附近两个大牛组各自独立发明的新工具Hypergraph Container Method目前更好用一些。

有一个组合数学的奖,忘记名字了,明天睡醒查一下,两年颁发一次,上上上次颁给的是研究数论中的随机性的结果(regularity lemma的application),上上届是颁给container method,上届是给的研究随机图过程的differential equation method,大概可以看出随机图在组合数学中的地位。

回到random graph,我这个回答并没有列太多数学公式,因为看到这个邀请时已经凌晨一点了,现在两点了。。这里推荐一些经典教材,假设已经学过概率论,随机过程,线性代数和抽象代数。

首先是概率方法最经典的教材:Noga Alon, Joel Spencer, The Probabilistic Method.

随机图论有三本经典教材,这里推荐最新的:Bollbas, Random Graphs.

基于极值图论的一个比较新的方向:Lovasz, Large Networks and Graph Limits.

偏向数论的:T. Tao, V. Vu, Additive Combinatorics.

另外我看到标签有人工智能,题主可能是做CS或者TCS的,那个方向的随机图的应用我不是很清楚,不好意思。我个人主要关注于数的分布的随机性还有随机图本身的拓扑性质。