8.c. Algebraic graph theory và spectral expansion
Để định nghĩa expanders từ góc nhìn đại số, ta cần biết một chút về algebraic graph theory và đại số tuyến tính. Về AGT thì tôi giới thiệu 2 quyển sau đây: Algebraic Graph Theory của Biggs, Spectral Graph Theory
của Fan Chung. Về đại số tuyến tính thì quyển tôi thích nhất vẫn là Matrix Analysis
của Horn và Johnson, kế đến là Introduction to Linear Algebra, Fourth Edition
của Strang. Nếu bạn nóng lòng thì có thể đọc lecture note này của tôi cũng đủ.
Trong bài này, chúng ta sẽ chứng minh cái gọi là bất đẳng thức Cheeger-Alon-Milman. Bất đẳng thức này cho thấy sự “tương đương” của hai số đo: edge-expansion rate và spectral gap, theo nghĩa là: càng lớn thì spectral gap của
càng lớn và ngược lại.
Spectral gap là gì? Gọi là adjacency matrix của
. Do ma trận này là ma trận thực và đối xứng, nó có đủ bộ eigenvectors vuông góc nhau và các eigenvalues đều là số thực. (Xem thêm bài Trị đặc trưng và vector đặc trưng.) Gọi các eigenvalues của
là
. Chúng ta cũng sẽ gọi chúng là eigenvalues của đồ thị
. Khi
là
-regular graph thì
. Spectral gap là khoảng cách giữa
và
, nghĩa là
.
Định lý Cheeger-Alon-Milman. Với mọi đồ thị
-regular
, ta có
8.c.1. Hai định lý quan trọng của đại số tuyến tính
Định lý. (Tính eigenvalues dùng Rayleigh quotient)
Xét một ma trận thực và đối xứng
với eigenvalues
. Gọi các orthonormal eigenvectors tương ứng là
. Định nghĩa thương số Rayleigh như sau:
Ta có
và
Tổng quát hơn, với mọi
ta có
Định lý thứ hai gọi là định lý Perron-Frobenius có hai phiên bản, phiên bản cho các ma trận dương, và phiên bản cho các ma trận không âm. Chúng tương tự nhau. Trong bài này chúng ta chỉ cần phiên bản cho các ma trận không âm. Cho một ma trận không âm tùy ý, định nghĩa spectral radius của
là modulus lớn nhất của các eigenvalues của
. (Các eigenvalues có thể phức.)
Định lý Perron-Frobenius cho các ma trận không âm. Cho một ma trận không âm
với spectral radius
. Ta có
là một eigenvalue của
![]()
- Tồn tại một
-eigenvector không âm
8.c.2. Giới thiệu Algebraic Graph Theory
Để chứng minh định lý Cheeger-Alon-Milman, trước hết hãy duyệt qua algebraic graph theory một chút. Bộ eigenvalues được gọi là spectrum của đồ thị
. Ta dùng
để ký hiệu eigenvector tương ứng với
. Không mất tính tổng quát, giả sử bộ vector
là một hệ cơ sở trực chuẩn (orthonormal). Cái spectrum của một đồ thị chứa khá nhiều thông tin về cái đồ thị đó.
Định lý. Gọi
là max-degree của
. Nhớ là ta vẫn giả sử
. Ta có:
- (i)
, với mọi
![]()
- (ii)
.
- (iii) Spectrum của
đối xứng xung quanh
nếu và chỉ nếu
là bipartite. (Đối xứng quanh
nghĩa là
,
, vân vân.) Do đó, nếu
thì đồ thị
không phải là bipartite.
Chứng minh. Theo định lý Perron-Frobenius thì chính là spectral radius của
— phần (i) đã được chứng minh.
Để chứng minh phần (ii), lưu ý rằng việc là một
-eigenvector của
(nghĩa là
và
) tương đương với đẳng thức sau đây:
Sở dĩ ta phải để ở đó là vì đồ thị
có thể có nhiều cạnh giữa
, và
là số cạnh giữa
và
. Nếu
là đồ thị đơn thì không cần
trong biểu thức trên, vì ta đã tính tổng qua các
rồi. (Cũng nhớ là
là tập các đỉnh kề với
.) Từ đây chứng minh (ii) rất dễ. Gọi
là đỉnh mà
lớn nhất trong các đỉnh. Dĩ nhiên
vì
là eigenvector. Ta có
Do bất đẳng thức đúng với mọi eigenvalue của
, ta kết luận
. Bây giờ ta chặn dưới
. Ta dùng định lý tính eigenvalues bằng thương số Rayleigh như đã phát biểu ở trên. Gọi
là vector mà tất cả các tọa độ đều bằng
. Ta có
Chú ý rằng chặn dưới này là degree trung bình của đồ thị, và nó chặt vì chặn dưới bằng chặn trên khi đồ thị là regular. Thật ra chúng ta vừa chứng minh một bất đẳng thức cơ bản của bất kỳ ma trận thực đối xứng nào: .
Bây giờ đến phần (iii). Giả sử là bipartite trước. Có thể thêm vào một số đỉnh đơn lẻ để hai bên của
có số đỉnh bằng nhau. (“Hậu quả” của việc thêm vào một số đỉnh lẻ là thêm một số eigenvalues bằng
, không ảnh hưởng đến kết luận.) Khi đó, có thể viết
dưới dạng
. Dễ thấy rằng
là một
-eigenvector của
nếu và chỉ nếu
là một
-eigenvector của
. Từ đó kết luận rằng
và
có cùng multiplicity trong spectrum. (Bài tập: tại sao?)
Ngược lại, giả sử cái spectrum của đối xứng qua
. Chú ý rằng, với mọi số nguyên dương
, bộ eigenvalues của
là
— vẫn đối xứng qua
nếu
lẻ. Do đó, trace
với mọi
lẻ. Nếu
không phải là bipartite thì
phải có một cycle chiều dài lẻ, do đó trace
với
lẻ nào đó. (Bài tập: tại sao?)
Bài tập. Chứng minh rằng spectrum của là
Bài tập. Hai đồ thị là co-spectral nếu chúng có cùng spectrum. Xây dựng một ví dụ hai đồ thị co-spectral nhưng không isomorphic.
Định lý. Xét một đồ thị
-regular
.
- (i)
, và
. Trong đó
ký hiệu vector mà tất cả các tọa độ đều bằng
.
- (ii)
nếu và chỉ nếu
là đồ thị liên thông.
Chứng minh. Phần (i) là bài tập. Ta chứng minh phần (ii). Xét một -eigenvector
. Gọi
là tọa độ có giá trị tuyệt đối lớn nhất. Bằng cách thay
bởi
nếu cần, ta có thể giả sử rằng
. Từ đó, dùng cùng cái mẹo như trong chứng minh trước, ta có
Ta kết luận rằng với mọi
. Do đó, các giá trị
phải bằng nhau trong mỗi thành phần liên thông của
. Dimension của
-eigenspace bằng chính tổng số thành phần liên thông (connected component) của
. Vì thế,
liên thông nếu và chỉ nếu eigenvalue
có multiplicity bằng
.
8.c.3 Chứng minh định lý Cheeger-Alon-Milman
Spectral gap lớn thì expansion rate lớn
Định lý này có hai phần. Phần dễ là bất đẳng thức đầu tiên và ta chứng minh nó trước. Có thể hiểu bất đẳng thức này một cách nôm na là giá trị tối thiểu của một biểu thức trên các vector nguyên thì lớn hơn giá trị tối thiểu của cùng một biểu thức trên các vectors thực. (Kỹ thuật này gọi là relaxation, rất phổ biến trong optimization.)
Trước hết, chúng ta “symmetrize” định nghĩa của . Thay vì
ta viết là
để biểu thị định nghĩa của
là tập các cạnh giữa
và phần bù
. Ký hiệu
trông sẽ “symmetric” hơn.
Định nghĩa sparsity của như sau
Như thế, chúng ta mới vừa chứng minh rằng . Còn phải chứng minh
nữa là xong. Để làm điều này, đầu tiên ta viết lại biểu thức của
cho có vẻ đại số hơn. (Biểu thức hiện nay có tính tổ hợp.) Tưởng tượng gán giá trị
cho mỗi đỉnh trong
và
cho mỗi đỉnh trong
, chúng ta có một vector
. Dễ thấy rằng
Trong đó, nghĩa là vector
không song song với vector
. Do đó,
chính là giá trị tối ưu của một bài toán tối thiểu hóa trên tập các vectors
. Giá trị tối thiểu dĩ nhiên là lớn hơn hoặc bằng giá trị tối thiểu của cùng biểu thức trên tập các vectors thực. Cụ thể hơn, ta có
Lưu ý rằng, nếu ta cộng (hay trừ) cùng một đại lượng vào (ra khỏi) mỗi tọa độ thì giá trị biểu thức không đổi. Do đó, có thể thay mỗi vector
bằng
trong đó
. Chú ý rằng,
, hay nói cách khác
. Vì thế,
Đến đây, viết lại tử số
Hơn nữa, do có thể viết lại mẫu số thành
. Vì vậy,
Expansion rate lớn thì spectral gap lớn
Đây là phần khó của định lý. Tôi theo chứng minh của Luca Trevisan, tự nhiên hơn chứng minh của Alon-Milman một chút. Muốn hiểu chứng minh của Alon-Milman thì phải hiểu chứng minh bất đẳng thức Cheeger trong hình học Riemann. Chúng ta phải chứng minh rằng . Chứng minh này gồm hai bước. Bước một là viết lại định nghĩa tổ hợp của
thành giá trị tối thiểu của một hàm liên tục, chuyển từ rời rạc sang liên tục. Bước hai về cơ bản là tí toáy với bất đẳng thức Cauchy-Schwarz là xong.
Bước 1. Với một vector bất kỳ, định nghĩa med
là median của tập
. Ta sẽ chứng minh rằng
Thứ nhất, giả sử là tập tối thiểu hóa biểu thức bên vế trái, nghĩa là
. Đặt
là characteristic vector của tập
. Do
, med
. Dễ thấy
và
. Do đó, vế trái
vế phải.
Thứ hai, gọi là giá trị của vế phải cho tiện. Ta sẽ chứng minh rằng tồn tại
để cho
là hoàn tất bước 1. Xét vector
tối thiểu hóa biểu thức bên trong vế phải. Không mất tính tổng quát, ta giả sử
. Chọn một số
ngẫu nhiên (uniformly). Định nghĩa
. Như vậy tập
này là một tập đỉnh ngẫu nhiên. (Cái mẹo tạo tập ngẫu nhiên kiểu này rất phổ biến trong các thiết kế thuật toán ngẫu nhiên cho các loại cut problems.) Ta muốn chứng minh rằng
Từ đó suy ra rằng tồn tại thỏa điều kiện cần thỏa. (Đây là ý tưởng của phương pháp dùng “argument from expectation” của phương pháp xác suất.) Trước hết,
Kế tiếp, không mất tính tổng quát, giả sử rằng . Lưu ý rằng med
, ta có
Nhờ linearity of expectation, ta có kết luận (mạnh hơn cần thiết) rằng
Bước 2. Chúng ta cần chứng minh rằng
Chiến lược khá rõ ràng: gọi là vector tối thiểu hóa biểu thức bên trong vế phải. Xây dựng một vector
từ
sao cho
, med
, và
(Để cho tiện dùng về sau, định nghĩa .)
Làm thế nào để “xây dựng” một vector như thế? Phản ứng đầu tiên là thử
rồi dùng Cauchy-Schwarz, nhưng thử vài lần không được. Phản ứng thứ hai là chọn
sao cho
“xấp xỉ”
và
“xấp xỉ”
rồi xem ép được đến đâu. Có vẻ như
có lý. (Đây chính là phát kiến thứ hai của Luca Trevisan. Phát kiến thứ nhất là bước 1.) Khi gán
, ta có
Do đó, Cauchy-Schwarz cho ta
Đến đây, nhớ lại định nghĩa của như trên, ta có
và Cauchy-Schwarz lần nữa cho ta
Gom tất cả lại, ta hoàn tất chứng minh:

2 Comments
Tiec la khong co file AGT-intro.pdf

Cafe mot te.o cai da…
He vui.
Thử Ajax comment preview xem sao. Có vẻ được rồi. Có vấn đề gì các bạn cho tôi biết nhé.