További korlátok

akkor azr, s sajátértékek egészek.

Jegyezzük meg, hogy abban az esetben, ha n négyzetszám, akkor az (n−1)(µ−λ) = 2k feltételnek eleget tevő gráfok a második esetbe is bele-tartoznak. AP(9)Paley-gráf (amely egyébként izomorf azL2(3)négyzetháló gráffal) ilyen példa.

8.2. További korlátok

Az eddigiekben azt láttuk, hogy az erősen reguláris gráf paraméterei megha-tározzák a sajátértékeket és azok multiplicitását. A fordított esetben az nyil-vánvaló, hogy a sajátértékek meghatározzák a paramétereket (ne feledjük, hogykis sajátérték !), hiszen ők a%²= (k−µ) + (λ−µ)%másodfokú egyenlet gyökei, s ígyr+s = λ−µ, rs = −(k−µ), ahonnan λ = k+r+s+rs, µ=k+rs, végül n-et 8.1.3-mal határozhatjuk meg. Eszerint a sajátértékek meghatározzákf-et ésg-t is.

Általában viszont csupán a multiplicitások ismerete nem elegendő a para-méterek meghatározásához, de vannak olyan speciális esetek amikor valamit tudunk mondani (persze még egy adat szükséges). A következő eredményt először Wielandt bizonyította 3 rangú gráfokra. A bizonyítás felhasználja a nevezetes Perron–Frobenius-tételt, l. 8.1.9. Tétel.

8.2.1. Tétel. (Wielandt)Legyen Γ erősen reguláris gráf n= 2m csúcson és tegyük fel, hogy a sajátértékek multiplicitása1, m−1 ésm. Ekkor vagyΓ vagy komplementere a létragráf (l. 8.1.8. Példa), vagyΓ vagy komplementere az alábbi paraméterű : n= 4s²+ 4s+ 2,k =s(2s+ 1), λ=s²−1,µ =s² (valamilyen pozitív egészs-re).

Bizonyítás.Mivel a komplementer gráf foka2m−k−1, így esetleg áttérve a komplementerre feltehetjük, hogyk < m. NézzükΓszomszédsági mátrixát A-t, valamintA²-et ésA³-t, és számítsuk ki a nyomukat. Ez egyfelől a diagonális elemek összege, másfelől a sajátértékeké, amiből három egyenletet fogunk kapni.Adiagonális elemei 0-k, A²-ék-k, míg A³-ben a diagonális elemek az egy ponton átmenő háromszögek száma, ígykλ. Tehát :

k+ (m−1)r+ms= 0, k²+ (m−1)r²+ms²= 2mk, k³+ (m−1)r³+ms³= 2mkλ.

A Perron–Frobenius-tétel esetünkben azt adja, hogy|r| ≤k. Az első egyenlet szerintk ≡r (modm), azaz r=k vagy r=k−m. Az első esetbens=−k, 2mk² = 2mk, vagyis k = 1 és a gráf a létra vagy komplementere (l. 8.11.

feladat). A második esetbenk=m−1−s,r=−1−sés a második egyenletből az is következik, hogym= 2s²+ 2s+ 1, végülλértékét a harmadik egyenlet

adja meg.

A Wielandt-tétel második esete is előfordul, s= 1 esetén pl. a Petersen-gráfot (és csak azt, l. 8.12. feladat) kapjuk. Delsarte és Goethals, valamint Turyn példái mutatják, hogy abban az esetben, ha2s+1prímhatvány, vannak ilyen paraméterű gráfok.

Folytassuk a szükséges feltételek tanulmányozását : először lássunk egy gyakran használt elemi lemmát, amely arról szól, hogy pozitív definit mátri-xok Gram-mátrixként előállíthatók.

8.2.2. Lemma. (Delsarte, Goethals, Seidel) Legyen A = (aij) pozitív szemidefinit valósn×n-es,drangú mátrix. Ekkor vannak olyanv₁, . . . ,v_n∈

∈R^d vektorok, melyekrea_ij= (v_i,v_j)(i, j= 1, . . . n).

Bizonyítás.A „főtengelytranszformáció” miatt található olyan nemszinguláris valósP mátrix, amellyel

P AP^T = I_dO

O O

. HaP inverzétQ-val jelöljük, akkor

A=Q Id O

O O

Q^T =Q1IdQ^T₁,

aholQ₁az azn×d-es mátrix, melyQelsődoszlopát tartalmazza. Av₁, . . . ,v_n

vektorok egyszerűen aQ₁sorai lesznek.

A most következő tétellel, illetve a hozzá kapcsolódó kérdésekkel kapcso-latban l. Babai–Frankl [3] könyvének 1.2. szakaszát. Ehhez hasonló témáról az elsőéves anyagban is volt szó (l. Elekes [20]), olyan ponthalmazokról, ame-lyekben csak kétféle távolság fordul elő. A bizonyítás második fele ennek gömbi megfelelőjével foglalkozik.

8.2.3. Tétel. LegyenΓerősen reguláris gráf, melyre mindΓ, mindΓ¯ össze-függő. HaΓ szomszédsági mátrixának vanf(>1)multiplicitású sajátértéke, akkorn≤f(f+ 3)/2.

Bizonyítás.AzAszomszédsági mátrixának három sajátaltere van. Ezeken a sajátaltereken azI,A ésJ−I−A mátrixok skalárral való szorzások. Meg-fordítva, ha egy mátrixnak ez a három altér sajátaltere, akkor az a fenti három mátrixnak lineáris kombinációja. Tekintsük azt azE mátrixot, amely az f dimenziós sajátaltéren 1, a másik kettőn 0. Legyen ez az E mondjuk E = αI+βA+γ(J −I−A). Ekkor E pozitív szemidefinit, így az előző

8.2. További korlátok 89 lemma alapján találunk egyS={v1, . . . ,vn} ⊂R^f vektorrendszert, amely-nek ez a Gram-mátrixa, azazeij = (vi,vj). Ebből meg tudjuk határozni a vi vektorok hosszát és az egymással bezárt szögeket. Így (vi,vi) =α, mert azE mátrix főátlójábanα-k állnak. Hasonlóan avi ésvj vektorok által be-zárt szög cosinusa vagy γ/α vagy β/α, mert a főátlón kívüli elemek (azaz (vi,vj)), mindβ-k vagyγ-k és a cosinus kiszámolásához a vektorok abszolút értékeivel osztanunk kell. Természetesen eloszthatjuk a vektorokat √

α-val, és így egységnyi abszolút értékű vektorokból álló olyanS vektor-halmazunk lesz, amelyben bármely kettő kétféle szög valamelyikét zárja be. Még azt is vegyük észre, hogy a vektorok páronként különbőzőek, mert mindΓ, mindΓ¯ összefüggő (részletesen l. a 8.19. feladatot).

A bizonyítás befejező része egyszerűen ilyen vektorhalmazokról szól. Min-denv∈S-re definiáljuk azf_v függvényt az alábbi módon :

f_v(x) = ((v,x)−β)((v,x)−γ) (1−β)(1−γ).

Persze fv az egységnyi abszolút értékű vektorokon van értelmezve. Ha ezt x koordinátáival felírjuk, akkor másodfokú polinomot kapunk. Másrészt az fv függvények lineárisan függetlenek, ha ugyanis egy ilyenfv-be azS egyw elemét helyettesítjük, akkor azt kapjuk, hogy

f_v(w) =

(1, hav=w, 0, hav6=w.

Ha tehát egy P

v∈Sλ_vf_v lineáris kombináció 0, akkorw behelyettesítésével látjuk, hogyλ_w= 0, vagyis azf_v-k valóban függetlenek. Másfelől ezek benne vannak abban a vektortérben amelyet azf darab lineáris ésf(f+1)/2 homo-gén másodfokú függvény feszít ki. Konstansokat nem kell figyelembe venni, mertx²₁+. . .+x²_f = 1, azaz a konstans lecserélhető másodfokúra. Más függ-vény viszont nem ad azonosan 0-t az egységnyi abszolút értékű vektorokra megszorítva. Eszerint valóban

n=|S|=f +1

2f(f + 1) = 1

2f(f+ 3).

A bizonyítás lelke az olyan vektorok számának becslése, amelyek csak két szöget határoznak meg. Delsarte, Goethals és Seidel a használt becslést „ab-szolút korlát”-nak nevezte, mert a becslés nem függ a meghatározott szögek nagyságától.

Egy további korlát aKrein-feltétel, ezt először (Krein egy eredményét fel-használva) 3 rangú gráfokra bizonyította Scott.

8.2.4. Tétel. (Krein-feltételek) Legyen Γ erősen reguláris gráf, melyre mindΓ, mindΓ¯összefüggő. HaΓszomszédsági mátrixának sajátértékeik, r, s, akkor

(a) (r+ 1)(k+r+ 2rs)≤(k+r)(s+ 1)², (b) (s+ 1)(k+s+ 2rs)≤(k+s)(r+ 1)².

A bizonyítás nagyon számolós, így most elhagyjuk.

Még egy további szükséges feltételt említünk erősen reguláris gráfok létezé-sére, a bizonyítást szintén elhagyjuk.

8.2.5. Tétel. („Karom korlát”) Haµ 6=s²,µ6=s(s+ 1), akkor 2(r+ 1)≤

≤s(s+ 1)(µ+ 1).

Igen gyakran az a helyzet, hogy egy erősen reguláris gráfot meghatároz-nak paraméterei. Erre már több konkrét példát láttunk eddig is, most ezt a négyzetháló gráfokra fogjuk megmutatni. A megfelelő állítást a trianguláris gráfok esetére a következő fejezetben bizonyítjuk, mert ezt majd ott használ-juk a Hall–Connor-tétel bizonyításában.

8.2.6. Tétel. LegyenΓegy(n²,2(n−1), n−2,2)paraméterű erősen reguláris gráf. Ekkorn >4-reΓ izomorf azL₂(n)négyzetháló gráffal.

Bizonyítás.Válasszuk ki Γ egyxpontját és tekintsük aΓ(x)gráfot. Ez egy 2(n−1)csúcsú(n−2)-edfokú reguláris gráf. Vegyünk ebben a gráfban két nem összekötött csúcsot,y-t ész-t. Jelöljükm-mel ezekΓ(x)-beli közös szomszé-dainak számát. Nyilvánm≤1. Miveldeg(y) = deg(z) =n−2, ígyn−2−m olyan csúcs van amely csaky-nal van összekötve, de z-vel nincs, és megfor-dítva. Eszerint viszont marad2(n−1)−2−m−2(n−2−m) =m olyan csúcs, amely semy-nal, semz-vel nincs összekötve.

Tekintsük előszörm= 1esetet. Jelöljewazt a pontot, amelyik semy-nal, semz-vel nincs összekötve. Ekkorw-nek ésy-nak csak egy közös szomszédja lehet. Hasonlóan w-nek és z-nek is. Másrészt minden w-től különböző pont vagyy-nal vagyz-vel össze van kötve, ami csak úgy lehet, han−2≤2.

Ígyn >4-re csakm= 0fordulhat elő. Ez magyarul azt jelenti, hogy Γ(x) nem tartalmaz háromszöget.Γ(x)egy(n−1)-reguláris gráf2(n−1)ponton, így a Turán-tétel szerint csak akkor lehet háromszögmentes, ha teljes páros gráf. Az eredetiΓ(x)-re ez azt jelenti, hogy ő két diszjunkt klikk uniója.

Vegyük hozzáx-et aΓ(x)-beli két klikkhez. Így minden ponton két klikk megy át, azaz összesen 2n²/n = 2n ilyen n pontú klikkünk van, melyek egymást nulla vagy egy pontban metszik. Három ilyen klikk közül mindig van két diszjunkt, mert ellenkező esetben a két klikk közös pontjához tartozóΓ(x) gráf két diszjunkt klikkje között menne a harmadik klikk valamelyik éle. Ez azt jelenti, hogy egy rögzített klikket metsző klikkek páronként diszjunktak és lefedik az összes pontot. Ebből azonnal adódik, hogy a klikkek két osztályba

sorolhatók és a gráfL2(n).

Jegyezzük meg, hogy n = 2,3-ra közvetlenül láthatjuk az állítást, míg n= 4-re van ellenpélda, az ún. Shrikhande-gráf, l. 8.3.13. Példa.