Интуиция за собственными значениями матрицы смежности

10

В настоящее время я работаю над тем, чтобы понять использование границы Чигера и неравенства Чигера и их использование для спектрального разделения, проводимости, расширения и т. Д., Но я все еще изо всех сил пытаюсь понять, что такое второе собственное значение матрицы смежности.
Обычно в теории графов большинство концепций, с которыми мы сталкиваемся, довольно просты для интуитивного понимания, но в этом случае я даже не могу придумать, какой тип графиков будет иметь второе собственное значение, очень низкое или очень высокое.
Я читал подобные вопросы, задаваемые здесь и там в сети SE, но они обычно относятся к собственным значениям в различных областях ( многомерный анализ , евклидовы матрицы расстояний , корреляционные матрицы ...).
Но ничего о спектральном разбиении и теории графов.

Может кто-то попытаться поделиться своей интуицией / опытом этого второго собственного значения в случае графов и матриц смежности?

m.raynal
источник
Вам знакома связь между спектром матрицы смежности и сходимостью случайных блужданий на графе?
Юваль
@YuvalFilmus Совсем нет, несмотря на то, что он действительно знаком со случайными блужданиями и каким-то образом знаком со спектром матрицы смежности. Так что мне действительно интересно ваше мнение :)
м.райнал

Ответы:

6

Второе (по величине) собственное значение управляет скоростью сходимости случайного блуждания на графике. Это объясняется во многих лекционных заметках, например, в лекционных заметках Луки Тревизана . Грубо говоря, расстояние L2 до равномерности после шагов может быть ограничено .tλ2t

Другое место, где появляется второе собственное значение, это проблема посаженной клики . Отправной точкой является наблюдение, что случайный граф содержит клику размером , но жадный алгоритм находит только клику размером , и лучший эффективный алгоритм не известен. (Жадный алгоритм просто выбирает случайный узел, отбрасывает всех не соседей и повторяет).G(n,1/2)2log2nlog2n

Это предполагает посадку большой клики на вершине . Вопрос в том, насколько большой должна быть клика, чтобы мы могли ее эффективно найти. Если мы установим клику размером , то мы сможем идентифицировать вершины клики только по их степени; но этот метод работает только для кликов размером . Мы можем улучшить это, используя спектральные методы: если мы установим клику размером , то второй собственный вектор закодирует клику, как показали Алон, Кривелевич и Судаков в классической статье.G(n,1/2)CnlognΩ(nlogn)Cn

В более общем смысле первые несколько собственных векторов полезны для разбиения графа на небольшое количество кластеров. См., Например, главу 3 лекционных заметок Луки Тревизана , в которой описываются неравенства Чигера высшего порядка.

Юваль Фильмус
источник
5

(Отказ от ответственности: Этот ответ касается собственных значений графов в целом, а не второго собственного значения в частности. Я надеюсь, что он, тем не менее, полезен.)

Интересный способ размышления о собственных значениях графа G=(V,E) состоит в том, чтобы взять векторное пространство Rn где n=|V|и отождествление каждого вектора с функцией f:VR (т. е. маркировка вершины). Собственный вектор матрицы смежности, то есть элемент fRn такое , что существует λR (то есть, собственный) с Af=λf , Aявляется матрицей смежности G . Обратите внимание , что е есть вектор , связанный с картой , который посылает каждую вершину v V в Е U N ( v ) F ( U ) , N ( v ) является набор соседей (то есть, вершины , смежные с) у . Следовательно, в этой настройке свойство собственного вектора функции f соответствует свойству, которое суммируется по значениям функции (при f )AfvVuN(v)f(u)N(v)uffсоседей вершины дает тот же результат, что и умножение значения функции вершины на постоянную λ .

dkaeae
источник
Большое спасибо, я никогда не «видел», что собственный вектор, умноженный на \ lambda, имеет значение суммы значений функций соседей (даже если это прямо из определения).
м.райнал
1
Я тоже :) Я нашел это случайно в программе на собственных значениях графиков.
dkaeae
5

G

GdGL=I1dAIn×nAf:VR,L

f,Lf=1d(u,v)E(f(u)f(v))2.

AdL0λ2AL1λ2d

1λ2d=min{f,Lff,f:vVf(v)=0,f0}.

Обратите внимание, что не меняется, когда мы сдвигаем на одну и ту же константу для каждой вершины. Таким образом, эквивалентно, вы можете определить для любого «центрированную» функцию помощью и напишитеf,Lfff:VRf0f0(u)=f(u)1nvVf(v)

1λ2d=min{f,Lff0,f0:f not constant}.

Теперь немного вычислений показывает, что , и, подставив вышеприведенное и разделив числитель и знаменатель на , получимf0,f0=1n{u,v}(V2)(f(u)f(v))2n2

1λ2d=min{2nd(u,v)E(f(u)f(v))22n2{u,v}(V2)(f(u)f(v))2:f not constant}.

Это означает, что если мы поместим каждую вершину из на вещественную линию в точке , то среднее расстояние между двумя независимыми случайными вершинами в графе (знаменателе) будет не больше - среднее расстояние между конечными точками случайного ребра в графе (числитель). Таким образом, в этом смысле большой спектральный разрыв означает, что то, что происходит через случайный край (локальное поведение), является хорошим предиктором того, что происходит через случайную некоррелированную пару вершин (глобальное поведение).uGf(u)ddλ2G

Сашо Николов
источник