Sobre Alianças Defensivas em Grafos Rommel Melgaço Barbosa, Elisângela Silva Dias, Instituto de Informática, UFG, Caixa Postal 131, Campus II, CEP: 74001-970, Goiânia, GO E-mail: {rommel, elisangela}@inf.ufg.br Resumo: Uma aliança defensiva no grafo G = (V, E) é um conjunto de vértices S ⊆ V satisfazendo a condição de que todo vértice v ∈ S tem no máximo um vizinho a mais em V − S que em S. Devido a este tipo de aliança, os vértices em S juntam para se defenderem dos vértices em V − S. Um conjunto seguro S ⊆ V no grafo G = (V, E) é um conjunto no qual todo subconjunto não-vazio pode ser defendido com sucesso de um ataque, sob as definições apropriadas de “ataque” e “defesa”. Apresentamos aqui os conceitos para o entendimento das alianças em grafos, junto com uma variedade de tipos de alianças e seus respectivos números, e mostramos novos resultados sobre propriedades de alianças em grafos grade, ciclo, roda, caminho e grafo infinito com relação ao número da aliança defensiva global, ao número da aliança defensiva forte global e ao conjunto seguro de tais grafos. Palavras-chave: Alianças em grafos, aliança defensiva, conjunto seguro. 1 Introdução Denotamos por G = (V, E) um grafo tendo o conjunto de vértices V e o conjunto de arestas E. Se |V | = n e |E| = m, dizemos que G é de ordem n e tamanho m. Para qualquer vértice v ∈ V , a vizinhança aberta de um vértice v é o conjunto N (v) = {u : uv ∈ E}, enquanto a vizinhança fechada de v é o conjunto N [v] = N (v) ∪ {v}. As vizinhanças aberta e fechada do conjunto de vértices S ⊆ V são definidas como segue: N (S) = ∪v∈S N (v) e N [S] = N (S) ∪ S. Similarmente, para um conjunto S, a fronteira de S é o conjunto ∂S = N [S] − S. Um subgrafo de G = (V, E) é um grafo G0 = (V 0 , E 0 ) tal que V 0 ⊆ V e E 0 ⊆ E. G0 é um subgrafo prório se G0 6= G. Se G0 for um subgrafo de G que contém todas as arestas vw ∈ E com (v, w) ∈ V 0 , então G0 é um subgrafo induzido de G. Para um subconjunto não-vazio S ⊆ V , denotamos por hSi o subgrafo de G induzido por S. Dizemos que um conjunto S ⊆ V é um conjunto dominante se N [S] = V , ou seja, S ∪ ∂S = V . O número de dominação, denotado por γ(G), é a cardinalidade mı́nima de um conjunto dominante, ou seja, é o tamanho do menor conjunto dominante minimal de um grafo. Um conjunto S é um conjunto dominante total ou conjunto dominante aberto se N (S) = V ou, equivalentemente, se para todo v ∈ V , existe um u ∈ S, u 6= v, tal que u é adjacente a v. Em um conjunto dominante total, cada vértice é adjacente a outro vértice de S, incluindo os próprios vértices de S, isto é, nenhum vértice de S é um vértice isolado em hSi. O número de dominação total, denotado por γt (G), é a cardinalidade mı́nima de um conjunto dominante dominante total. O tamanho do menor ciclo no grafo G é chamado cintura de G e é denotado por cintura(G). Um grafo sem ciclos tem uma cintura de comprimento infinito. Note que, por definição, um ciclo Cn de tamanho cintura(G) não contém quaisquer cordas, isto é, arestas entre dois vértices não-consecutivos em Cn . Assim, por lcc(G) entenda que é o tamanho máximo de um ciclo sem corda em um grafo G. 673 O problema de alianças em grafos foi primeiramente proposto por Kristiansen, Hedetniemi e Hedetniemi [6]. Posteriormente, Fricke, Lawson, Haynes, Hedetniemi e Hedetniemi [3] estudaram alianças defensivas em grafos. Em 2007, Brigham, Dutton e Hedetniemi [1] estudaram segurança em grafos. Recentemente, Dutton [2] estudou os números dos conjuntos seguros e Rodrı́guezVelazquez, Yero e Sigarreta [10] estudaram a k-aliança defensiva, que é uma generalização para aliança defensiva. Na seção 2, apresentamos as definições de alianças defensivas em grafos e algumas de suas variações, como alianças defensivas fortes, alianças defensivas globais e conjuntos seguros. Na seção 3, exibimos uma tabela com resultados já existentes para algumas classes de grafos e provamos novos resultados sobre alianças defensivas. Na seção 4, finalizamos o artigo com algumas observações. 2 Alianças em Grafos De forma bem simples, uma aliança é um conjunto de vértices que tem alguma propriedade coletiva. Entretanto, como no mundo real, há diferentes tipos de alianças e definiremos alguns deles a seguir. Definição 1 Um conjunto não-vazio de vértices S ⊆ V é chamado uma aliança defensiva se e somente se para todo v ∈ S, |N [v] ∩ S| ≥ |N [v] − S|, ou seja, para todo vértice v ∈ S, v tem no máximo um vizinho a mais em V − S que em S. Definição 2 Uma aliança defensiva é chamada forte se para todo vértice v ∈ S, |N [v] ∩ S| > |N [v]−S|, ou seja, a inequação é estrita. Neste caso, dizemos que todo vértice em S é fortemente defendido. Definição 3 Uma aliança defensiva (forte) S é chamada crı́tica se nenhum subconjunto próprio de S é também uma aliança defensiva (forte). Definição 4 O número da aliança defensiva, denotado por a(G), é a cardinalidade mı́nima de qualquer aliança defensiva crı́tica de G e o número da aliança defensiva forte, denotado por â(G), é a cardinalidade mı́nima de qualquer aliança defensiva forte crı́tica de G. Definição 5 O número superior da aliança defensiva global, denotado por A(G), é igual à cardinalidade máxima de uma aliança defensiva crı́tica de G e Â(G) é a cardinalidade máxima de uma aliança defensiva forte crı́tica de G. Definição 6 Uma aliança defensiva é chamada global se ela afeta todo vértice em V − S, isto é, todo vértice em V − S é adjacente a pelo menos um membro da aliança S. Neste caso, S é um conjunto dominante. O número da aliança defensiva global, denotado por γa (G), é igual à cardinalidade mı́nima de uma aliança defensiva global em G e γâ (G) é a cardinalidade mı́nima de uma aliança defensiva forte global de G. Um conjunto S ⊆ V que é uma aliança defensiva global de cardinalidade γa (G) é chamado conjunto-γa (G). Definição 7 Dizemos que um conjunto S ⊆ V é seguro quando |N [X] ∩ S| ≥ |N [X] − S|, para todo X ⊆ S. Intuitivamente, um conjunto é seguro se todo subconjunto não-vazio seu pode ser defendido com sucesso de um ataque (sob as definições apropriadas de “ataque” e “defesa” que introduziremos mais adiante). Há várias maneiras de definir como um conjunto é atacado e defendido. Adotaremos aqui a definição utilizada por Brigham, Dutton e Hedetniemi [1] a qual assume que um agressor u (um membro de N [X]−S) pode atacar somente um único vértice de X em um determinado momento, mesmo que u seja vizinho de vários vértices de X. Além disso, um defensor v (um membro de 674 N [X] ∩ S) pode impedir, de cada vez, somente um agressor dos vértices de N [X] ∩ S. Observe que um defensor v necessita somente estar em S e não necessariamente em X. A definição formal segue. Definição 8 (Dutton [2]) (i) Seja G = (V, E) um grafo. Para qualquer S = {s1 , s2 , ..., sk } ⊆ V um ataque em S são quaisquer k conjuntos A = {A1 , A2 , ..., Ak } mutuamente disjuntos para os quais Ai ⊆ N [si ] − S, 1 ≤ i ≤ k. Uma defesa de S são quaisquer conjuntos D = {D1 , D2 , ..., Dk } mutuamente disjuntos para os quais Di ⊆ N [si ] ∩ S, 1 ≤ i ≤ k. Um ataque de A é defensável se existe uma defesa D tal que |Di | ≥ |Ai | para 1 ≤ i ≤ k. (ii) O conjunto S é seguro se e somente se todo ataque em S é defensável. Definição 9 Um conjunto seguro S ⊆ V é crı́tico se nenhum subconjunto próprio de S é seguro. Sendo assim, s(G) é a cardinalidade mı́nima de um conjunto seguro crı́tico de G. Um conjunto seguro de cardinalidade s(G) é chamado conjunto-s(G) ou simplesmente conjunto-s. 3 Resultados Obtidos Nesta seção, apresentamos novos resultados obtidos para os números das alianças defensivas globais, defensivas fortes globais e para o número de segurança. Para isso, começamos fazendo algumas observações quanto a esses números em diversas classes de grafos. Como vemos na Tabela 1, o número da aliança defensiva em caminhos, grafos estrelas, árvores, grafos 1-regular é 1, pois um vértice final nestes grafos forma uma aliança defensiva. Segundo Shafique [7], a(G) ≤ â(G) ≤ Â(G), a(G) ≤ A(G), a(G) ≤ γa (G) e â(G) ≤ γâ (G). O fato que A(Pn ) = Â(Pn ) = 2, para n ≥ 4, segue da observação que em um caminho, quaisquer dois vértices adjacentes, em que nenhum deles é um vértice final, formam uma aliança defensiva (forte) crı́tica. Visto que qualquer aliança defensiva (forte) crı́tica S deve induzir um subgrafo conexo, as únicas alianças possı́veis são elas próprias caminhos. Mas visto que elas deveriam conter dois vértices adjacentes, S não poderia ser crı́tica se conter mais que dois vértices. O mesmo raciocı́nio aplica-se para a observação que A(Cn ) = Â(Cn ) = 2, para n ≥ 3, e para grafos 3-regulares, onde novamente a maior aliança defensiva (forte) crı́tica consiste de dois vértices adjacentes. Em um grafo 3-regular, quaisquer dois vértices adjacentes formam uma aliança defensiva. Dessa forma, nenhuma aliança crı́tica maior é possı́vel e A(G) = 2. Na roda Wn , temos que a(Wn ) = 2, pois dois vértices adjacentes no ciclo da roda formam uma aliança defensiva. Observamos que um ciclo sem corda qualquer em um grafo 3-regular ou no grafo 4-regular forma uma aliança defensiva forte crı́tica, ou seja, o número da aliança defensiva é cintura(G). Dessa forma, segue que em um grafo G 3-regular, Â(G) ≥ lcc(G). Mas Â(G) ≤ lcc(G), visto que uma aliança defensiva forte crı́tica S qualquer em um grafo 3-regular G, que tem cardinalidade maior que lcc(G), deve necessariamente conter um ciclo em hSi. Visto que o menor ciclo em hSi é uma aliança defensiva forte crı́tica, segue que hSi próprio deve induzir um ciclo sem corda. n Para um grafo completo, temos que a(Kn ) = 2 , pois precisamos de pelo menos metade dos vértices do grafos para ter uma aliança defensiva, visto que cada vértice tem n − 1 vizinhos no grafo. Temos que â(Kn ) = n2 + 1, pois precisamos de um vértice a mais em S que em ∂S. No grafo grade Gm,n , o número da aliança defensiva é 1 se o mı́nimo entre m e n é 1, ou seja, existe um vértice final e este vértice será uma aliança defensiva. Caso o mı́nimo seja 2, o número da aliança defensiva é 2, pois dois vértices adjacentes na grade formam uma aliança defensiva. Foi realizada uma revisão bibliográfica a respeito do assunto e a Tabela 1 provê uma visão geral dos resultados anteriormente estabelecidos para a(G), â(G), γa (G), γâ (G) e s(G). 675 676 2 [6] cintura(G) [6] Kn G Gm,n 1, se min{m, n} = 1; [6] 2, se min{m, n} ≥ 2; [6] n [6] δ 2 n − 2 = a(G) ≤ n2 [3] 2, se min{m, n} < 3; [6] 3, se min{m, n} = 3; [6] 4, se min{m, n n} ≥ 4.[6] + 1 [6] δ 2 n − 2 = â(G) ≤ n2 + 1 [3] √ 2n 3 [4, 8] k(k−1) 2 [2] min{m, n, 3} [1] s(G) ≤ s(G) 1 [1] 2 [1] 2n [1] 2 [1] ? 1 [1] ? ? ? ? ? 1 [1] 2, se G contém K4 ; [1] 3, se G contém K2,3 ; [1] cintura(G), caso c.[1] ? ? 2 n [4] 2 [1] δ+1 δ √ n ≤ γâ ≤ n − 2 [4] 2 ≤ s ≤ n − 2δ [1] n+1 2 [4] ≤ γa (G) ≤ n − 2δ [4] n+1 ? ? ≤ γa (L(G))[9] ≤ γâ (G) [4, 8] γâ (G) ≤ 2n 3 [4, 8] ? n 2 ? 2m δ1 +δ2 +1 γa (G) ≤ 2n 3 [4, 8] ? m ≤ γa (G) ≤ 4n+1−1 2 l n 3 Tabela 1: Visão geral sobre os números das alianças de algumas classes de grafos. a(G) â(G) γâ (G) γa (G) 1 [6] 2, n ≥ 3 [6] γt (Pn ) = n2 + n4 − n4 , n ≥ 2 [4] γt (Pn ), n ≥ 3 [4] 2 [6] 2, γt (Cn ), n ≥ 3, exc. n ≡ 2(mod4) [4] γt (Cn ) [4], n ≥ 3 [4] nn ≥ 3 [6] r s 2 [6] r s2 + 1 [6] r s ? r ? s + , + , + , 2 ≤ r ≤ s [4] 2 ≤ r ≤ s [4] se r, s ≥ 2 [4] 2 2 2 2 r−1 2 s−12 r 2 + s 2 [4] 1 [6] ? + + + se r, s ≥ 1 [4] 2, 2 2 2 2 + 2 [4] n+2 n+2 3n 1 [6] â(T ) ≤ |V (T )| [5] ≤ γ (T ) ≤ , n ≥ 4 ≤ γ (T ) ≤ 3n [4] a â 4 5 3 4 [4] 1 [6] 2 [6] ? ? 2 [6] 2 [6] ? ? 2 [6] ∞ [6] ? ? ∞ [6] ∞ [6] ∞ [6] ∞ [6] 2 [6] ∞ [6] ? ? 1 [6] 2 [6] 1 [6] 2 [6] 4-reg. cintura(G) [6] cintura(G) [6] 5-reg. l cintura(G) ? [6] l m m δn +δn−1 −1 δn +δn−1 L(G) ≤ a(L(G)) ≤ δ1 [9] ≤ â(L(G)) ≤ δ1 [9] 2 2 3-reg. Classe Pn Cn Wn Kr,s Sr,s T P1,∞ P∞,∞ T2,∞ T3,∞ G∞,∞ 1-reg. Haynes, Hedetniemi e Henning [4] estudaram alianças defensivas globais para algumas classes de grafos. Visto que não foi estudado para a classe de grafos grade, mostramos no próximo teorema o limite superior exato para γa (Gm,n ). Teorema 1 Seja G=(V,E) um grafo grade Gm,n , para m, n ≥ 3, m ≥ n, e x ∈ N. mn 3 , se m = 3x ou n = 3x; m γa (Gm,n ) = 3 × n, se m = 3x + 2 m 3 × n − 2, se m = 3x + 1; Prova. Seja S um conjunto-γa (Gm,n ). Para ter uma aliança defensiva global em um grafo grade com m ≥ 3, será necessário incluir em S os vértices de pelo menos uma linha da grade. Para cobrir todos os vértices do grafo, de forma eficiente, se a quantidade de linhas ou colunas é divisı́vel por 3, tomam-se ou as linhas ou as colunas 3 a 3, sendo a linha/coluna central pertencente a S, e tem-se um conjunto dominante eficiente de cardinalidade mn 3 , que é uma aliança defensiva global. Se não temos um múltiplo de 3, m ≥ n e m mod n = 2, ainda m é possı́vel ter uma dominação eficiente. Se as linhas são divididas 3 a 3, incluindo em S os 3 × n vértices, restarão ainda 2 linhas. Considere estas as últimas linhas da grade. Para cobrir estas duas linhas, será necessário incluir também em S os vértices da última linha dominam a si mesmos e os vértices que m da linha × n + n vértices anterior. O conjunto S passa, então, a conter m que é igual a 3 3 × n. Se m mod n = 1, ao serem divididas 3 a 3 as primeiras linhas, somente uma delas não estará m dominada. Neste caso, é necessário incluir em S, além dos 3 × n vértices, mais n − 2 vértices da última linha, já que não será necessário incluir os vértices dos extremos, de grau dois, que serão dominados por seus vizinhos da mesma linha. Neste caso, não temos uma dominação eficiente. Kristiansen, Hedetniemi e Hedetniemi [6] provaram que a(Cn ) = â(Pn ) = â(Cn ) = a(Wn ) = 2 e â(Wn ) = n2 + 1. Dessa prova, mostramos a proposição seguinte para conjuntos seguros. Proposição 1 Para um ciclo Cn , roda Wn e caminho Pn qualquer, (i) s(Pn ) = 1. (ii) s(Cn ) = 2. (iii) s(Wn ) = 3. Prova. (i) Um vértice final no caminho Pn é um conjunto seguro. Visto que ele tem apenas um vizinho e só existe o próprio vértice como subconjunto X ⊆ S, ele também é um conjunto seguro. (ii) Quaisquer dois vértices adjacentes em Cn constituem um conjunto seguro. Isso porque todo vértice em Cn tem grau dois. Sendo assim, cada vértice de Cn em S terá um vértice em ∂S. Dessa forma, só existem três subconjuntos a considerar: {x}, {y} e {x, y}. Os subconjuntos unitários {x} e {y} só têm um vértice adjacente em Cn , que não está em S, satisfazendo a condição de aliança defensiva e conjunto seguro. O subconjunto {x, y} tem dois vizinhos em S e dois vizinhos em ∂S, também satisfazendo a condição de aliança defensiva e conjunto seguro. Portanto, s(Cn ) = 2. 677 (iii) Quaisquer três vértices adjacentes no ciclo da roda Wn constituem um conjunto seguro, visto que cada vértice tem grau três, sendo um dos vizinhos o vértice central (de grau n), um vértice em S e um vértice em ∂S. Assim, S = {x, y, z} é uma aliança defensiva. Então, só existem seis subconjuntos a considerar: (a) três subconjuntos unitários {x}, {y} e {z}, que têm dois vizinhos em S e dois em ∂S; (b) {x, y}, em que |NS ({x, y})| = 3 e |NV −S ({x, y})| = 2, sendo que existe um vértice z ∈ S; (c) {y, z}, idem (b); (d) {x, y, z}, em que |NS ({x, y, z})| = |NV −S ({x, y, z})| = 3. Portanto, S é um conjunto seguro. Não existe s(Wn ) < 3, visto que todo subconjunto de S deve ser seguro. Suponha que s(Wn ) = 1, então S não é uma aliança defensiva e, portanto, não é um conjunto seguro. Suponha que s(Wn ) = 2, então existem dois vértices adjacentes x e y que estão em S. Dessa forma, temos 3 possı́veis subconjuntos: {x}, {y} e {x, y}. Assim, os subconjuntos {x}, {y} satisfazem a condição de aliança defensiva e de conjunto seguro, mas |NS ({x, y})| = 2 e |NV −S ({x, y})| = 3, não satisfazendo a condição de conjunto seguro. Portanto, s(Wn ) ≥ 3. Kristiansen, Hedetniemi e Hedetniemi [6] provaram que para um caminho infinito a(P∞,∞ ) = â(P∞,∞ ) = 2 e também que para uma grade infinita a(G∞,∞ ) = â(G∞,∞ ) = 4. Assim, mostramos a proposição seguinte para grafos infinitos. Proposição 2 (i) Para um caminho infinito P∞,∞ , γa (P∞,∞ ) = γâ (P∞,∞ ) = ∞ (ii) Para uma grade infinita G∞,∞ , γa (G∞,∞ ) = γâ (G∞,∞ ) = ∞. (iii) Para uma árvore binária infinita com raiz T2,∞ , γa (T2,∞ ) = γâ (T2,∞ ) = ∞. (iv) Para uma árvore ternária infinita com raiz T3,∞ , γa (T3,∞ ) = γâ (T3,∞ ) = ∞. Prova. (i) Visto que uma aliança defensiva global é um conjunto dominante, tal conjunto necessitaria de pelo menos metade dos vértices de P∞,∞ . Nenhum subconjunto conexo de vértices S em P∞,∞ pode ser uma aliança defensiva global, visto que em tal subconjunto S o subgrafo induzido hSi deveria necessariamente ter ou um vértice final. Dessa forma, γa (P∞,∞ ) = γâ (P∞,∞ ) não é finito. (ii) Similarmente ao item (i), não é possı́vel ter um conjunto S finito. (iii) Para árvores, um subconjunto S que é uma aliança defensiva global deve ter um vértice final. Como a árvore é infinita, não tem tal vértice e γa (T2,∞ ) = γâ (T2,∞ ) = ∞. (iv) Idem item (iii). 4 Conclusões Apresentamos novos resultados para grafos grade, ciclo, roda, caminho e grafo infinito com relação a γa (G), γâ (G) e s(G). Também foi realizado um estudo sobre alianças em grafos, com ênfase em uma variação denominada aliança defensiva em grafos. Para tal conceito, foram apresentadas variações sobre a definição original, como conjuntos seguros, e resultados teóricos 678 que se referem às propriedades das alianças em grafos, bem como limites para algumas classes de grafos. Observamos que várias propriedades matemáticas das alianças em grafos foram estudadas desde o surgimento deste conceito, em 2003, até hoje. Portanto, apresentamos os resultados teóricos que já foram obtidos na Tabela 1, que também nos mostra os parâmetros que ainda podem ser estudados, sendo problemas em aberto. A pesquisa em alianças em grafos ainda está muito incipiente e existem vários tipos de alianças e propriedades a serem estudadas. Pode-se propor ainda a aplicação dos conceitos em áreas práticas da ciência da computação ou em outras áreas como quı́mica, biologia, entre outras. Quanto a conjuntos seguros, temos as seguintes questões em aberto: (i) Determinar limites exatos gerais para o número de segurança de um grafo permanece como uma interessante área de pesquisa. Em particular, não se conhece limite superior exato, em função do número n de vértices, para todos os grafos. é um limite superior para um grafo G qualquer tendo n vértices. (ii) Saber se n+1 2 (iii) Defina a menor cardinalidade de um conjunto seguro dominante como sendo γse (G). Quando γse (G) = s(G)? (iv) Determinar, dado um conjunto não-seguro S, se ele contém um subconjunto seguro. Referências [1] R. C. Brigham, R. D. Dutton e S.T. Hedetniemi, Security in Graphs, Discrete Applied Mathematics, 155 (2007) 1708-1714. [2] R. D. Dutton, On a Graph’s Security Number, Discrete Applied Mathematics, 309 (2009) 4443-4447. [3] G. H. Fricke, L. M. Lawson, T. W. Haynes, S. M. Hedetniemi e S. T. Hedetniemi, A Note on Defensive Alliances in Graphs, Bulletin of the ICA., 38 (2003) 37-41. [4] T. W. Haynes, S. T. Hedetniemi e M. A. Henning, Global Defensive Alliances in Graphs, Eletron. J. Combin., 10 (2003) 139-146. [5] Cheng-Ju Hsua, Fu-HsingWang e Yue-LiWang, Global Defensive Alliances in Star Graphs, Discrete Applied Mathematics, 157 (2009) 1924-1931. [6] Kristiansen, Petter. and Hedetniemi, Sandra. and Hedetniemi, Stephen T., Alliances in Graphs, J. Combin. Math. Combin. Comput., 48 (2004) 157-177. [7] Khurran H. Shafique, “Partitioning a Graph in Alliances and its Application to Data Clustering”, PhD Thesis, School of Computer Science, University of Central Florida, Orlando, 2004. [8] José M. Sigarreta, “Alianzas en Grafos”, Tesis Doctoral, Departamente de Matemáticas, Universidad Carlos III de Madrid, 2007. [9] J. M. Sigarreta e J. A. Rodrı́guez-Velázquez, On Defensive Alliances and Line Graphs, Applied Mathematics Letters, 19 (2006) 1345-1350. [10] J. A. Rodrı́guez-Velázquez, I. G. Yero e J. M. Sigarreta, Defensive k-alliances in Graphs, Applied Mathematics Letters, 22 (2009) 96-100. 679