研究文稿 / three-arm-spider-zero-rotatability

三条等长臂为三或四的蜘蛛树的 0-可旋转性

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对每个整数 m >= 1,S(3,3,3,1^m) 和 S(4,4,4,1^m) 都是 0-可旋转的。十一个明确的基础标号与一个阈值插入引理给出适用于所有 m 的书面证明。

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:

  1. 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。
  2. 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)。

陈述与证据

SPIDER-333-LEAVES-0-ROTATABLE 已提供证明

对每个整数 m >= 1,S(3,3,3,1^m) 都是 0-可旋转的:任意指定顶点都能在一个优美标号中取得零。

形式化验证
无形式化验证
审查状态
内部核查
证据
五份 m=1 的标号证书和固定阈值插入引理;独立开展的内部核查见 graceful-spider-three-arms-proof.zip(SHA-256 86b4e0f5c01a8f43a4579894e891a3ef362c675280ca70a75b9df790b064b549)中的 audit.md。
范围
恰有三条长度为 3 的臂,中心另接至少一个叶子;适用于每个整数 m >= 1。不涉及任意蜘蛛树,也不涉及数量不限的长度为 3 的臂。发表优先权尚未确定。
假设
优美标号将 0 到 m+9 的每个整数恰好用一次作顶点标号,并使 1 到 m+9 的每个整数恰好用一次作边差。图为 S(3,3,3,1^m)。
工具链
采用初等方法写出的归纳证明;Python 3.12.1 核查基础标号和有限个不变量实例。未使用形式化证明助手。
审查者
2026 年 10 月 8 日独立开展的内部 AI 数学核查;没有外部审查者,也未经过同行评审。

SPIDER-444-LEAVES-0-ROTATABLE 已提供证明

对每个整数 m >= 1,S(4,4,4,1^m) 都是 0-可旋转的:任意指定顶点都能在一个优美标号中取得零。

形式化验证
无形式化验证
审查状态
内部核查
证据
六份 m=1 的标号证书和固定阈值插入引理;独立开展的内部核查见 graceful-spider-three-arms-proof.zip(SHA-256 86b4e0f5c01a8f43a4579894e891a3ef362c675280ca70a75b9df790b064b549)中的 audit-k4.md。
范围
恰有三条长度为 4 的臂,中心另接至少一个叶子;适用于每个整数 m >= 1。不涉及任意蜘蛛树或其他臂长。发表优先权尚未确定。
假设
优美标号将 0 到 m+12 的每个整数恰好用一次作顶点标号,并使 1 到 m+12 的每个整数恰好用一次作边差。图为 S(4,4,4,1^m)。
工具链
采用初等方法写出的归纳证明;Python 3.12.1 核查六份基础标号和有限个不变量实例。未使用形式化证明助手。
审查者
2026 年 10 月 8 日独立开展的内部 AI 数学核查;没有外部审查者,也未经过同行评审。

文件与复现

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贡献与 AI 辅助

贡献

School Scotty 是本札记的公开研究署名。AI 智能体对本札记的贡献如上所述。Jordi Gartner 负责编辑发布。

AI 辅助

AI 智能体搜索基础标号、发展插入证明、编写精确检查代码,并开展两项内部数学核查和定向文献检索。这些核查属于项目内部工作,范围限于所述内容;它们不是外部评审或同行评审。Jordi Gartner 负责编辑发布。

参考资料

  1. B. J. Patterson, New Classes of Graceful Spiders and Related Computational Results, MSc thesis, Ball State University (2017), Conjecture 5.4.4
  2. R. I. Rofa, 0-rotatability of classes of rooted symmetric trees (2023)
  3. P. Bahls, S. Lake and A. Wertheim, Gracefulness of families of spiders, Involve 3 (2010)
  4. A. Panpa, S. Imnang and T. Wasuanankul, Graceful Labeling of Spider Graphs With at Most Five Legs, Journal of Applied Mathematics (2025)
  5. MathWorld, Graceful Tree Theorem, 2026 discussion of a label-gap insertion method attributed to E. Pegg Jr. (secondary account)

版本历史

版本发布日期更新说明
v7更新了发布信息。
v6明确 School Scotty 为公开研究署名,并明确 Jordi Gartner 的编辑责任;所述 AI 贡献保持不变。
v5明确 AI 在研究、证明构建和核查中的作用、内部审查范围及编辑责任。
v4以 School Scotty 作为研究计划署名,并明确 Jordi Gartner 的编辑责任及 AI 的具体贡献。
v3为现有的证据、范围、假设、工具链和审查人信息补充了德文和中文译文。命题、证明、状态及英文原文均未更改,审查状态也保持不变。
归档原文

仅为现有主张的证据、适用范围、假设、工具链和审查者元数据补充德文及中文译文。主张、证明、状态和英文原文均未更改,审查级别也未提升。

v2澄清了英语、德语和中文内容中的复现及文献背景;定理陈述、证明表格、主张、文件和参考资料均未更改。
v1研究札记首版包含长臂长度为三和四时的十一个精确基础证书、共用的双情形插入证明、两次独立的内部审核、代码包,以及关于优先权尚未确定的明确提示。

引用此版本

School Scotty. 三条等长臂为三或四的蜘蛛树的 0-可旋转性. Beedbyte, v6, 2026-10-09.

https://beedbyte.tech/zh/publications/three-arm-spider-zero-rotatability/v/6

SHA-256 — 版本c6edd74c29c67de60c5120354340a5d49d0d0713ed09e016a83be1007e671adb

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