研究札记
本札记属于三条等长长臂:长度三与四的 0-可旋转性项目。
定理与定义
令 k 为 3 或 4,m >= 1 为整数。S_(k,m)=S(k,k,k,1^m) 表示这样一棵树:中心为 c,有三条长臂 a_i1,...,a_ik(i=0,1,2,下标依次远离中心),另有 m 个直接连接 c 的叶子 p_0,...,p_(m-1)。它有 q=3k+m 条边。优美标号是从顶点到 {0,...,q} 的双射,其边两端标号的绝对差恰好构成 {1,...,q}。
定理 A 与 B。 对每个 k 属于 {3,4} 以及每个整数 m >= 1,S_(k,m) 都是 0-可旋转的:给定任意顶点 v,存在一个优美标号使 f(v)=0。这里不对其他 k 作出断言。
定理 A:长臂长度为三时的五个基础证书
当 k=3、m=1 时,下表为图的每个对称性顶点类给出一个标号。每组三元组按离中心的距离列出深度 1、2、3 的标号。t 是下文插入步骤中保持不变的阈值;d 是下一个新叶子边的差。
| 零所在的顶点类 | c |
臂 0 | 臂 1 | 臂 2 | p_0 |
t |
d |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 中心 | 0 | (1,6,4) | (8,2,5) | (10,3,7) | 9 | 10 | 11 |
| 长臂深度 1 | 8 | (0,10,1) | (2,9,4) | (6,7,3) | 5 | 2 | 6 |
| 长臂深度 2 | 1 | (9,0,10) | (4,3,5) | (7,2,6) | 8 | 7 | 7 |
| 长臂深度 3 | 9 | (1,10,0) | (2,5,6) | (3,8,4) | 7 | 1 | 8 |
| 中心叶子 | 10 | (1,3,8) | (2,9,5) | (4,7,6) | 0 | 0 | 10 |
每行都将顶点标号 0,...,10 恰好使用一次。若边的两个端点标号都不超过 t,或都大于 t,就称其为同侧边;否则称为跨阈值边。直接计算得到以下互不相交的差值区间,且每个区间中的每个差值都恰好出现一次。
| 零所在的类 | 同侧边差值 | 跨阈值边差值 |
|---|---|---|
| 中心 | 1,...,10 | 空 |
| 长臂深度 1 | 1,...,5 | 6,...,10 |
| 长臂深度 2 | 1,...,6 | 7,...,10 |
| 长臂深度 3 | 1,...,7 | 8,...,10 |
| 中心叶子 | 1,...,9 | 10 |
因此每行都是优美标号。证明包中的精确检查程序和独立审查按排序后的列表检查每一条边,避免只比较集合时遗漏重复差值。
两个定理共用的阈值插入引理
设树 T 有 q 条边,具有优美标号 f;准备在顶点 c 增加一个叶子,固定整数 0 <= t <= q。定义
当 f(c)<=t 时,d=t+1-f(c);当 f(c)>t 时,d=f(c)-t。
假设同侧边的差值恰好各出现一次 1,...,d-1,而跨阈值边的差值恰好各出现一次 d,...,q。在 c 加一个新叶子,将每个大于 t 的旧顶点标号加一,并把 t+1 给新叶子:
旧顶点满足 f+(v)=f(v)+1_[f(v)>t];新叶子满足 f+(新叶子)=t+1。
旧标号变成 0,...,t,t+2,...,q+1;新叶子填补唯一缺口。原有同侧边的差值保持不变;每条原有跨阈值边的差值增加一。新叶子边的差值是 d。因此新图的边差恰好各一次地构成 1,...,d-1、d 和 d+1,...,q+1。
区间假设在同一个阈值 t 下继续成立:
- 若
f(c)<=t,中心仍在低侧,新叶子在高侧。新边跨阈值,差值为d。同侧区间仍是1,...,d-1;旧跨阈值区间变成d+1,...,q+1。加入新边后,跨阈值区间为d,...,q+1。d保持不变。 - 若
f(c)>t,中心标号增加一,中心和新叶子都在高侧。新边为同侧边,差值为d。新参数是d'=d+1;同侧区间为1,...,d(即1,...,d'-1),跨阈值区间为d'=d+1,...,q+1。
因此可以任意多次应用这一不变量。零仍留在原顶点,因为 0 从不大于 t,而新叶子的标号 t+1 为正。
把该引理反复用于长臂长度为三的五个基础行。它们覆盖中心、长臂深度 1 到 3,以及一个短的中心叶子。置换三条长臂或中心叶子,可将任意指定顶点对应到适当的零标号代表。因此定理 A 对所有 m >= 1 成立。
定理 B:长臂长度为四时的六个基础证书
当 k=4 时,对 m=1、q=13 的另外六个基础行应用同一引理。每个四元组依次列出深度 1 到 4 的顶点标号。每行都恰好使用 0,...,13 的所有顶点标号,且边差恰好为 1,...,13。最后两列分别给出固定阈值和下一条叶子边的差值。
| 零所在的顶点类 | c |
臂 0 | 臂 1 | 臂 2 | p_0 |
t |
d |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 中心 | 0 | (1,8,3,7) | (12,4,6,9) | (13,2,11,5) | 10 | 13 | 14 |
| 长臂深度 1 | 10 | (0,13,1,12) | (2,11,4,5) | (6,8,3,9) | 7 | 2 | 8 |
| 长臂深度 2 | 1 | (12,0,13,3) | (7,2,6,5) | (10,8,11,4) | 9 | 7 | 7 |
| 长臂深度 3 | 11 | (1,12,0,13) | (2,5,6,8) | (3,10,4,9) | 7 | 1 | 10 |
| 长臂深度 4 | 2 | (12,1,13,0) | (8,4,9,7) | (10,3,6,5) | 11 | 4 | 3 |
| 中心叶子 | 13 | (1,3,11,6) | (2,12,5,9) | (4,10,7,8) | 0 | 0 | 13 |
这些行的同侧边差值依次为 1,...,13、1,...,7、1,...,6、1,...,9、1,...,2 和 1,...,12。跨阈值边的差值分别为互补的连续区间 d,...,13(中心那一行为空)。k4_bases.json、k4_verify.py 和单独的 audit-k4.md 确认每个差值都恰好出现一次。
因此阈值不变的引理可将全部六行扩展到每个 m >= 1,零保留在原顶点。这六个对称性类分别是中心、长臂深度 1 到 4、以及一个中心叶子。置换长臂和中心叶子便覆盖任意指定顶点,从而证明定理 B。
如何核对基础标号
下载包 graceful-spider-three-arms-proof.zip 包含两组基础数据、verify_proof.py、k4_verify.py、搜索程序、证明与文献笔记、两份独立核查报告,以及 BUNDLE-README.md。其 SHA-256 为 86b4e0f5c01a8f43a4579894e891a3ef362c675280ca70a75b9df790b064b549。解压后运行 python verify_proof.py 和 python k4_verify.py。2026 年 10 月 8 日,Python 3.12.1 核对了两个图族的全部基础标号,并将区间不变量检查到 m=100。对所有 m 的结论来自上文的引理和顶点类型论证。
下载包中的两份独立核查报告没有导入项目检查程序,而是重新构造基础情形;两份报告均对所述构造给出 PASS。
与先前工作的关系
Patterson 于 2017 年提出范围更广的蜘蛛树 0-可旋转性猜想(Conjecture 5.4.4),其中有一类例外。论文报告的有限枚举包含本文两类树的若干小规模实例,却不能解决任意 m 的情形。我们未能逐页核对其完整论文;若拟以原创成果投稿,应先查证猜想原文。Rofa 2023 年的结果涉及有根对称树和各臂等长的蜘蛛树。Bahls、Lake 和 Wertheim 证明了相关蜘蛛树较弱的优美性结论。类似的标号空位插入方法此前也已有公开描述。
定向检索没有找到这两个对所有 m 成立的完全相同命题,但尚不能确定发表优先权。本证明仅涉及整数 m >= 1 时的 S(3,3,3,1^m) 和 S(4,4,4,1^m)。
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