Note on Hamiltonicity of basis graphs of even delta-matroids

We show that the basis graph of an even delta-matroid is Hamiltonian if it has more than two vertices. More strongly, we prove that for two distinct edges $e$ and $f$ sharing a common end, it has a Hamiltonian cycle using $e$ and avoiding $f$ unless it has at most two vertices or it is a cycle of length at most four. We also prove that if the basis graph is not a hypercube graph, then each vertex belongs to cycles of every length $\ell\ge 3$, and each edge belongs to cycles of every length $\ell \ge 4$. For the last theorem, we provide two proofs, one of which uses the result of Naddef (1984) on polytopes and the result of Chepoi (2007) on basis graphs of even delta-matroids, and the other is a direct proof using various properties of even delta-matroids. Our theorems generalize the analogous results for matroids by Holzmann and Harary (1972) and Bondy and Ingleton (1976).Comment: 10 pages, 2 figures. Corrected a typ

Counting cycles in planar triangulations

We investigate the minimum number of cycles of specified lengths in planar $n$-vertex triangulations $G$. It is proven that this number is $\Omega(n)$ for any cycle length at most $3 + \max \{ {\rm rad}(G^*), \lceil (\frac{n-3}{2})^{\log_32} \rceil \}$, where ${\rm rad}(G^*)$ denotes the radius of the triangulation's dual, which is at least logarithmic but can be linear in the order of the triangulation. We also show that there exist planar hamiltonian $n$-vertex triangulations containing $O(n)$ many $k$-cycles for any $k \in \{ \lceil n - \sqrt[5]{n} \rceil, \ldots, n \}$. Furthermore, we prove that planar 4-connected $n$-vertex triangulations contain $\Omega(n)$ many $k$-cycles for every $k \in \{ 3, \ldots, n \}$, and that, under certain additional conditions, they contain $\Omega(n^2)$ $k$-cycles for many values of $k$, including $n$

Rooted structures in graphs: a project on Hadwiger's conjecture, rooted minors, and Tutte cycles

Hadwigers Vermutung ist eine der anspruchsvollsten Vermutungen für Graphentheoretiker und bietet eine weitreichende Verallgemeinerung des Vierfarbensatzes. Ausgehend von dieser offenen Frage der strukturellen Graphentheorie werden gewurzelte Strukturen in Graphen diskutiert. Eine Transversale einer Partition ist definiert als eine Menge, welche genau ein Element aus jeder Menge der Partition enthält und sonst nichts. Für einen Graphen G und eine Teilmenge T seiner Knotenmenge ist ein gewurzelter Minor von G ein Minor, der T als Transversale seiner Taschen enthält. Sei T eine Transversale einer Färbung eines Graphen, sodass es ein System von kanten-disjunkten Wegen zwischen allen Knoten aus T gibt; dann stellt sich die Frage, ob es möglich ist, die Existenz eines vollständigen, in T gewurzelten Minors zu gewährleisten. Diese Frage ist eng mit Hadwigers Vermutung verwoben: Eine positive Antwort würde Hadwigers Vermutung für eindeutig färbbare Graphen bestätigen. In dieser Arbeit wird ebendiese Fragestellung untersucht sowie weitere Konzepte vorgestellt, welche bekannte Ideen der strukturellen Graphentheorie um eine Verwurzelung erweitern. Beispielsweise wird diskutiert, inwiefern hoch zusammenhängende Teilmengen der Knotenmenge einen hoch zusammenhängenden, gewurzelten Minor erzwingen. Zudem werden verschiedene Ideen von Hamiltonizität in planaren und nicht-planaren Graphen behandelt.Hadwiger's Conjecture is one of the most tantalising conjectures for graph theorists and offers a far-reaching generalisation of the Four-Colour-Theorem. Based on this major issue in structural graph theory, this thesis explores rooted structures in graphs. A transversal of a partition is a set which contains exactly one element from each member of the partition and nothing else. Given a graph G and a subset T of its vertex set, a rooted minor of G is a minor such that T is a transversal of its branch set. Assume that a graph has a transversal T of one of its colourings such that there is a system of edge-disjoint paths between all vertices from T; it comes natural to ask whether such graphs contain a minor rooted at T. This question of containment is strongly related to Hadwiger's Conjecture; indeed, a positive answer would prove Hadwiger's Conjecture for uniquely colourable graphs. This thesis studies the aforementioned question and besides, presents several other concepts of attaching rooted relatedness to ideas in structural graph theory. For instance, whether a highly connected subset of the vertex set forces a highly connected rooted minor. Moreover, several ideas of Hamiltonicity in planar and non-planar graphs are discussed

Polütoopide laienditega seotud ülesanded

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneLineaarplaneerimine on optimeerimine matemaatilise mudeliga, mille sihi¬funktsioon ja kitsendused on esitatud lineaarsete seostega. Paljusid igapäeva elu väljakutseid võime vaadelda lineaarplaneerimise vormis, näiteks miinimumhinna või maksimaalse tulu leidmist. Sisepunkti meetod saavutab häid tulemusi nii teoorias kui ka praktikas ning lahendite leidmise tööaeg ja lineaarsete seoste arv on polünomiaalses seoses. Sellest tulenevalt eksponentsiaalne arv lineaarseid seoseid väljendub ka ekponentsiaalses tööajas. Iga vajalik lineaarne seos vastab ühele polütoobi P tahule, mis omakorda tähistab lahendite hulka. Üks võimalus tööaja vähendamiseks on suurendada dimensiooni, mille tulemusel väheneks ka polütoobi tahkude arv. Saadud polütoopi Q nimeta¬takse polütoobi P laiendiks kõrgemas dimensioonis ning polütoobi Q minimaalset tahkude arvu nimetakakse polütoobi P laiendi keerukuseks, sellisel juhul optimaalsete lahendite hulk ei muutu. Tekib küsimus, millisel juhul on võimalik leida laiend Q, mille korral tahkude arv on polünomiaalne. Mittedeterministlik suhtluskeerukus mängib olulist rolli tõestamaks polütoopide laiendite keerukuse alampiiri. Polütoobile P vastava suhtluskeerukuse leidmine ning alamtõkke tõestamine väistavad võimalused leida laiend Q, mis ei oleks eksponentsiaalne. Käesolevas töös keskendume me juhuslikele Boole'i funktsioonidele f, mille tihedusfunktsioon on p = p(n). Me pakume välja vähima ülemtõkke ning suurima alamtõkke mittedeterministliku suhtluskeerukuse jaoks. Lisaks uurime me ka pedigree polütoobi graafi. Pedigree polütoop on rändkaupmehe ülesande polütoobi laiend, millel on kombinatoorne struktuur. Polütoobi graafi võib vaadelda kui abstraktset graafi ning see annab informatsiooni polütoobi omaduste kohta.The linear programming (LP for short) is a method for finding an optimal solution, such as minimum cost or maximum profit for a linear function subject to linear constraints. But having an exponential number of inequalities gives the exponential running time in solving linear program. A polytope, let's say P, represents the space of the feasible solution. One idea for decreasing the running time of the problem, is lifting the polytope P tho the higher dimensions with the goal of decresing the number of inequalities. The polytope in higher dimension, let's say Q, is the extension of the original polytope P and the minimum number of facets that Q can have is the extension complexity of P. Then the optimal solution of the problem over Q, gives the optimal solution over P. The natural question may raise is when is it possible to have an extension with a polynomial number of inequalities? Nondeterministic communication complexity is a powerful tool for proving lower bound on the extension complexity of a polytopes. Finding a suitable communication complexity problem corresponded to a polytope P and proving a linear lower bound for the nondeterministic communication complexity of it, will rule out all the attempts for finding sub-exponential size extension Q of P. In this thesis, we focus on the random Boolean functions f, with density p = p(n). We give tight upper and lower bounds for the nondeterministic communication complexity and parameters related to it. Also, we study the rank of fooling set matrix which is an important lower bound for nondeterministic communication complexity. Finally, we investigate the graph of the pedigree polytope. Pedigree polytope is an extension of TSP (traveling salesman problem; the most extensively studied problem in combinatorial optimization) polytopes with a nice combinatorial structure. The graph of a polytope can be regarded as an abstract graph and it reveals meaningful information about the properties of the polytope

On cycles and independence in graphs

Das erste Fachkapitel ist der Berechnung von Kreispackungszahlen, d.h. der maximalen Größe kanten- bzw. eckendisjunkter Kreispackungen, gewidmet. Da diese Probleme bekanntermaßen sogar für subkubische Graphen schwer sind, behandelt der erste Abschnitt die Komplexität des Packens von Kreisen einer festen Länge l in Graphen mit Maximalgrad Delta. Dieses für l=3 von Caprara und Rizzi gelöste Problem wird hier auf alle größeren Kreislängen l verallgemeinert. Der zweite Abschnitt beschreibt die Struktur von Graphen, für die die Kreispackungszahlen einen vorgegebenen Abstand zur zyklomatischen Zahl haben. Die 2-zusammenhängenden Graphen mit dieser Eigenschaft können jeweils durch Anwendung einer einfachen Erweiterungsregel auf eine endliche Menge von Graphen erzeugt werden. Aus diesem Strukturergebnis wird ein fpt-Algorithmus abgeleitet. Das zweite Fachkapitel handelt von der Größenordnung der minimalen Anzahl von Kreislängen in einem Hamiltongraph mit q Sehnen. Eine Familie von Beispielen zeigt, dass diese Unterschranke höchstens die Wurzel von q+1 ist. Dem Hauptsatz dieses Kapitels zufolge ist die Zahl der Kreislängen eines beliebigen Hamiltongraphen mit q Sehnen mindestens die Wurzel von 4/7*q. Der Beweis beruht auf einem Lemma von Faudree et al., demzufolge der Graph, der aus einem Weg mit Endecken x und y und q gleichlangen Sehnen besteht, x-y-Wege von mindestens q/3 verschiedenen Längen enthält. Der erste Abschnitt enthält eine Korrektur des ursprünglich fehlerhaften Beweises und zusätzliche Schranken. Der zweite Abschnitt leitet daraus die Unterschranke für die Anzahl der Kreislängen ab. Das letzte Fachkapitel behandelt Unterschranken für den Unabhängigkeitsquotienten, d.h. den Quotienten aus Unabhängigkeitszahl und Ordnung eines Graphen, für Graphen gegebener Dichte. In der Einleitung werden bestmögliche Schranken für die Klasse aller Graphen sowie für große zusammenhängende Graphen aus bekannten Ergebnissen abgeleitet. Danach wird die Untersuchung auf durch das Verbot kleiner ungerader Kreise eingeschränkte Graphenklassen ausgeweitet. Das Hauptergebnis des ersten Abschnitts ist eine Verallgemeinerung eines Ergebnisses von Heckman und Thomas, das die bestmögliche Schranke für zusammenhängende dreiecksfreie Graphen mit Durchschnittsgrad bis zu 10/3 impliziert und die extremalen Graphen charakterisiert. Der Rest der ersten beiden Abschnitte enthält Vermutungen ähnlichen Typs für zusammenhängende dreiecksfreie Graphen mit Durchschnittsgrad im Intervall [10/3, 54/13] und für zusammenhängende Graphen mit ungerader Taillenweite 7 mit Durchschnittsgrad bis zu 14/5. Der letzte Abschnitt enthält analoge Beobachtungen zum Bipartitionsquotienten. Die Arbeit schließt mit Vermutungen zu Unterschranken und die zugehörigen Klassen extremaler Graphen für den Bipartitionsquotienten.This thesis discusses several problems related to cycles and the independence number in graphs. Chapter 2 contains problems on independent sets of cycles. It is known that it is hard to compute the maximum cardinality of edge-disjoint and vertex-disjoint cycle packings, even if restricted to subcubic graphs. Therefore, the first section discusses the complexity of a simpler problem: packing cycles of fixed length l in graphs of maximum degree Delta. The results of Caprara and Rizzi, who have solved this problem for l=3 are generalised to arbitrary lengths. The second section describes the structure of graphs for which the edge-disjoint resp. vertex-disjoint cycle packing number differs from the cyclomatic number by a constant. The corresponding classes of 2-connected graphs can be obtained by a simple extension rules applied to a finite set of graphs. This result implies a fixed-parameter-tractability result for the edge-disjoint and vertex-disjoint cycle packing numbers. Chapter 3 contains an approximation of the minimum number of cycle lengths in a Hamiltonian graph with q chords. A family of examples shows that no more than the square root of q+1 can be guaranteed. The main result is that the square root of 4/7*q cycle lengths can be guaranteed. The proof relies on a lemma by Faudree et al., which states that the graph that contains a path with endvertices x and y and q chords of equal length contains paths between x and y of at least q/3 different lengths. The first section corrects the originally faulty proof and derives additional bounds. The second section uses these bounds to derive the lower bound on the size of the cycle spectrum. Chapter 4 focuses on lower bounds on the independence ratio, i.e. the quotient of independence number and order of a graph, for graphs of given density. In the introduction, best-possible bounds both for arbitrary graphs and large connected graphs are derived from known results. Therefore, the rest of this chapter considers classes of graphs defined by forbidding small odd cycles as subgraphs. The main result of the first section is a generalisation of a result of Heckman and Thomas that determines the best possible lower bound for connected triangle-free graphs with average degree at most 10/3 and characterises the extremal graphs. The rest of the chapter is devoted to conjectures with similar statements on connected triangle-free graphs of average degree in [10/3, 54/13] and on connected graphs of odd girth 7 with average degree up to 14/5, similar conjectures for the bipartite ratio, possible classes of extremal graphs for these conjectures, and observations in support of the conjectures

SIMULATING SEISMIC WAVE PROPAGATION IN TWO-DIMENSIONAL MEDIA USING DISCONTINUOUS SPECTRAL ELEMENT METHODS

We introduce a discontinuous spectral element method for simulating seismic wave in 2- dimensional elastic media. The methods combine the flexibility of a discontinuous finite element method with the accuracy of a spectral method. The elastodynamic equations are discretized using high-degree of Lagrange interpolants and integration over an element is accomplished based upon the Gauss-Lobatto-Legendre integration rule. This combination of discretization and integration results in a diagonal mass matrix and the use of discontinuous finite element method makes the calculation can be done locally in each element. Thus, the algorithm is simplified drastically. We validated the results of one-dimensional problem by comparing them with finite-difference time-domain method and exact solution. The comparisons show excellent agreement