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  • 2017년 제58회 국제수학올림피아드(IMO) 참가후기

    2017년 제58회 국제수학올림피아드(IMO) 참가후기

    2009년, 2011년, 2012년, 2016년에 이어 2017년 브라질 리우데자네이루에서 열린 제58회 국제수학올림피아드에 다녀왔습니다. 올해는 111개 나라에서 총 615명의 학생들이 참가하여, 역대 최대 참가자수였던 작년의 602명 기록을 조금 더 넘겼습니다. 예전처럼 올해도 간략하게 참가 후기를 적어볼까 합니다.

    우리나라는 1988년 호주에서 열린 29회 대회부터 참가하였는데, 올해는 2012년에 이어 역대 두 번째로 우리 나라 학생 전원이 금메달을 받음과 동시에 총점으로 세는 국가별 랭킹에서 1위를 차지하는 성과를 냈습니다. 올해 참가한 우리나라 대표 학생들은 모두 서울과학고 학생으로 아래와 같습니다.

    김다인, 김세훈, 백승윤, 안정현, 이송운, 최규현

    이 중 김세훈 학생은 올해 세 번째 출전으로 은메달 하나와 금메달 2개를 받게 되었습니다. 백승윤 학생은 두 번째 출전으로 은메달 하나와 금메달 하나를 받게 되었습니다. 나머지 4명의 학생은 올해 처음 출전이지만, 작년부터 우리나라 대표팀이 참가하기 시작한 루마니아 수학 마스터 대회(Romanian Master of Mathematics)에 출전한 적이 있어 국제대회의 긴장을 이미 경험해 보았습니다.
    대표 6명에는 들지 못했지만 최종 후보로 뽑혔던 그 밖의 7명의 학생들은 아래와 같습니다. 이 중 고경명 학생은 세종과학고이지만 다른 학생은 모두 서울과학고였습니다. 다른 학교에서도 분발하면 좋겠습니다.

    강지원, 고경명, 김준곤, 명기범, 박주영, 안재준, 이정호, 조민기

    이번 한국대표팀 단장팀에서는 IMO 자문위원회 위원이기도 한 인하대 송용진 교수님과 유원대 이승훈 교수님이 문제 번역 등으로 수고를 하셨습니다. 부단장팀에서는 올해 대한수학회 올림피아드 사업이사를 맡고 있는 아주대 최수영 교수님과 저, 그리고 KAIST 학생이자 2013년 국제수학올림피아드 대표였던 이종원 학생이 있었습니다. 또한 한국과학창의재단 김기상 박사님도 오셔서 도와주셨습니다.
    이번 국제수학올림피아드 문제별 분야와 출제자는 아래와 같습니다. 참고로 분야 옆에 붙은 번호는 Short List라고 해서 문제 후보를 분야별로 정리한 목록에서 분야별로 몇 번 문제인지를 적은 것입니다. 보통 숫자가 클 수록 어려운 문제로 생각합니다.

    1. (정수1) 남아프리카공화국 Stephan Wagner
    2. (대수6) 알바니아 Dorlir Ahmeti
    3. (조합5) 오스트리아 Gerhard Woeginger
    4. (기하2) 룩셈부르크 Charles Leytem
    5. (조합4) 러시아 Grigory Chelnokov
    6. (정수8) 미국 John Berman

    최근부터 국제수학올림피아드에서는 1, 2, 4, 5번 문제는 정수, 대수, 조합, 기하 분야 한 문제씩 골고루 내고 있고, 더 어려운 3, 6번 문제는 따로 선정하고 있습니다. 이번에도 그런 규칙에 따라 문제가 출제되었습니다. 다만 보통 기하가 적어도 두 문제가 나왔는데 이번에는 쉬운 문제 하나만 나왔다는게 이변 아닌 이변이었습니다. 아울러 이번 3번 문제는 7점을 받은 사람이 고작 2명뿐이라 역대 최고로 어려웠던 문제로 기록되었습니다. 아쉽게도 우리나라 대표학생 중에서는 푼 사람이 없었고 부분점수 1점 받은 사람만 있었습니다.

    동영상 촬영 중
    오늘의 문제. #이렇게까지?


    이번에는 특별히 현지에 참가한 조교인 이종원 학생이 해설하는 국제수학올림피아드 풀이 동영상을 제작하였습니다. 유난히 쉬운 4번 문제만 동영상이 3분 정도이며 다른 동영상은 대체로 8분~12분 정도입니다. 동영상을 촬영하는데 메모도 없이 한 번에 술술 해설해서 놀랐습니다. 이종원 학생은 현지에서도 학생들에게 매일 풀어볼 문제도 만들어주고 나중에 채점 과정에서도 큰 기여를 하는 등 수고가 많았습니다.

    우리 대표 학생의 성적은 아래와 같습니다. 우연히 우리 나라 대표 학생 6명 각자의 총점이 매우 비슷하게 되었습니다. 특히 김다인 학생은 2006년 경기과학고 학생이던 남주강 씨 이후로 11년만에 우리나라 대표로 출전한 여학생입니다.

    참가자P1P2P3P4P5P6총점개인
    순위
    상대
    위치
    김다인77077129799.02%금메달
    김세훈77071729799.02%금메달
    안정현77170729799.02%금메달
    이송운770707281497.88%금메달
    최규현770770281497.88%금메달
    백승윤740772272995.44%금메달
    팀 결과423914222241701100.00%G, G, G, G, G, G

    이번 상위권 나라 성적은 아래와 같습니다. 우리가 1위 했던 2012년의 경우 우리는 209점 2위 중국은 195점으로 14점 차이였는데 이번은 11점 차이입니다. 이번에는 문제가 어려워서 점수가 많이 내려갔습니다. 참고로 우리가 2위를 했던 2016년의 경우 우리는 207점, 미국이 214점이었습니다.

    • 1위 170점: 한국
    • 2위 159점: 중국
    • 3위 155점: 베트남
    • 4위 148점: 미국
    • 5위 142점: 이란
    • 6위 134점: 일본
    • 공동 7위 131점: 싱가포르, 태국
    • 공동9 위 130점: 대만, 영국
    • 10위 128점: 러시아
    태국대표단과 Joint Camp


    2012년 아르헨티나 대회에도 워낙 먼 거리를 감안하여 이틀 일찍 현지에 가서 시차적응을 했습니다. 이번에는 아예 7월 11일에 출국하여 현지에서 태국 대표팀과 함께 며칠간 현지 공동 캠프를 진행하였습니다. 저는 여기까지는 참석하지 않았고 최수영 교수님이 대표 학생들 인솔 등으로 처음 가보는 브라질 현지에서 큰 수고를 하셨습니다. 저는 창의재단 김기상 박사님과 함께 7월 15일 출국하여 현지에 16일에 합류하였습니다.
    이번 국제수학올림피아드가 열린 호텔은 Barra da Tijuca의 해변에 위치한 Windsor Oceânico 호텔이었습니다. 개막식, 폐막식, 시험 등이 모두 같은 호텔에서 열려서 매우 편리하였습니다. 참고로 작년 홍콩 대회의 경우 숙소는 홍콩과기대 기숙사였습니다. 이 곳 해변은 그 길이가 18 km로 매우 길고 비록 계절은 겨울이지만 따뜻한 날씨 덕에 많은 이들이 해수욕을 즐기고 있었습니다. 동네가 워낙 좋은 동네라 물가가 비싸서 애를 먹었습니다.
    개막식 (7월 17일)

    7월 17일 국제수학올림피아드 개막식 무대에 올라간 한국대표단 학생 (왼쪽부터 안정현, 백승윤, 김세훈, 최규현, 이송운, 김다인) 및 한국대표팀 가이드, 사진: Davi Campana/R2


    우리 학생들의 개막식 입장 동영상을 찍었습니다.
    한편 주최측에서 촬영한 1시간 13분짜리 동영상도 올라왔습니다. 우리 학생들은 47분쯤에 나옵니다.

    제58회 국제수학올림피아드 개막식

    시험 (7월 18일, 19일)

    첫날 시험 시작 대기 모습. 사진: Davi Campana


    시험은 9시부터 1시 30분까지 4시간 30분동안 열릴 예정이었습니다. 시험 30분 전까지는 다들 입실해야 된다고 들어서 열심히 준비시켜 학생들을 보냈는데, 9시 직전까지 입실하지 않은 학생들이 꽤 많았습니다. 특히 휴대품 검사에 시간이 많이 소요되어 시험은 한참 늦게 시작되었습니다. 결국 점심식사도 매우 늦었습니다. 둘째날인 19일에는 첫날보다는 좀더 순조롭게 시험이 시작되어 좀더 일찍 시험이 끝났습니다. 학생들이 첫날 시험을 보는 동안 전통에 맞게 부단장팀은 주최측이 주선한 관광을 다녀왔는데 별로 기억에 남는 것이 없습니다. 리우데자네이루에서 가장 유명한 예수상은 가지 않고 축구경기장과 시내 멋있는 거리를 잠깐 걸어 산책한 것이 전부였습니다. 학생들은 21일에, 단장팀은 22일 오전에 똑같은 관광을 갔습니다.
    이제까지 제가 가본 국제수학올림피아드에서는 보통 학생들 시험이 끝나는 날 단장팀이 학생들이 있는 호텔로 이동해서 함께 지내는 것이 보통이었는데 이번에는 특이하게도 학생은 IMO 호텔에 두고 부단장팀은 전원 단장이 있는 호텔로 이동하게 되었습니다. 학생들은 브라질 대학생인 현지 가이드에게 잘 부탁하고 부단장팀은 짐을 꾸려 같은 해변이지만 3km 떨어진 Windsor Marapendi 호텔로 이동하였습니다.

    Coordination (7월 20일, 21일) 및 Jury Meeting (21일)

    4번 문제 협의중


    채점하여 점수를 협의하는 과정을 Coordination이라고 합니다. 각국 단장 부단장들과 주최국에서 준비한 Coordinator들과 지정된 시간에 만나 미리 정해진 채점 기준표에 따라 점수를 협의하는 과정을 이틀간 진행합니다. 이번에는 학생들이 잘 해서인지, 혹은 딱히 부분점수를 크게 따져야할 풀이가 없어서인지, 이 과정이 매우 쉽게 끝났습니다. 작년엔 점심도 굶어가며 몇번씩 같은 문제로 coordination room에 다녀오곤 했는데 올해는 한 번에 모두 일사천리로 해결되어 21일 오전에 우리팀은 모두 끝나서 잠깐 오후에 시내 관광을 나갔다 올 여유도 있었습니다. 이미 그때 우리 팀이 1등할 가능성이 매우 높다는 것을 알 수 있었습니다. 21일 저녁 있었던 Jury Meeting에서 금메달 커트라인이 우리 팀 예상보다 훨씬 아래여서 놀랐고 여유있게 1등을 해서 기뻤습니다.
    이 이틀동안 학생들은 브라질의 필즈메달 수상자인 아빌라 교수의 강연도 듣고 관광도 다녀왔습니다.

    시상식 (22일)
    개막식때는 보통 학생들이 나라별로 착석하고 무대에 나라별로 올라가서 인사를 합니다. 하지만 시상식때는 학생들이 점수순으로 착석하고 동메달부터 낮은 점수부터 순서대로 무대를 올라갑니다. 우리 학생들은 워낙 뒤에 올라가게 되어 있어서 한참을 기다렸습니다. 앞줄에 있던 네덜란드 분들이 사진기 들고 언제 나가야 하나 고민하는 우리를 보면서 너희들은 아직 멀었으니 한참 기다려라고 하며 웃었습니다.
    이번에는 IMPA Olympiad Girls’ Award라고 해서 각 대륙별로 여학생 참가자 중 가장 잘 한 학생에게 특별상을 하나씩 주었습니다. 아시아 대륙을 대표해서 우리나라 김다인 학생이 수상했습니다. 여학생 중 유일한 금메달이었으니 당연한 일이었습니다. 한편 보츠와나 대표로 나온 박가람 학생이 아프리카 대표로 이 상을 받았습니다.

    IMPA 여학생상 수상


    한편 29점 동점으로 나란히 금메달 받으러 올라가던 김세훈 안정현 학생은 김다인 학생을 가마를 태워서 입장해서 큰 박수를 받았습니다.

    캠코더를 준비해간 덕분에 이번 시상식 일부를 촬영할 수 있었습니다.

    주최측에서 촬영한 폐막식 동영상이 나중에 올라왔습니다. 1시간 43분 분량입니다. 1시간 20분 지점 근처를 보세요.

    제58회 국제수학올림피아드 폐막식

    이번 국제수학올림피아드의 개인 1등은 5문제를 해결한 세 명이 했습니다. 이란, 일본, 베트남 대표였는데, 그 중 Yuta Takaya라는 일본 대표는 올해 국제수학올림피아드에서 최고점으로 1등했을 뿐만 아니라 올해 이란에서 열린 국제정보올림피아드에서도 최고점으로 1등을 하여 화제가 되었습니다. 국제정보올림피아드에 4번 출전하여 모두 금메달을 받았고 국제수학올림피아드에는 3번 출전하여 은메달 하나와 금메달 둘을 받았습니다.

    귀국 (23일)
    비행기 시간이 너무 밤 늦게 있어서 23일 낮에는 “빵산”이라고 불리는, Sugarloaf mountain을 다 함께 다녀왔습니다. 그 후 30시간이 넘게 비행기를 타고 애틀란타를 경유하여  한국으로 잘 돌아왔습니다. 현지 출발은 23일이지만 한국 도착은 25일이었습니다. 30시간동안 씻지 않으면 어떻게 되는지 아래 사진에서 확인할 수 있습니다. 도착 직후에 중앙일보, 동아일보 기자와 학생들 사이의 인터뷰도 있었고, 대한수학회 이향숙 회장님 등 여러 분들의 환대도 있었습니다.

    인천공항 입국 사진 (7월 25일)

    수정내역: 공식 동영상 링크를 추가하였습니다. (2017년 10월 23일)

  • KAIST에서 2017년 가을에 열리는 이산수학/그래프이론 관련 교과목

    2017년 가을학기 교과목 수강신청기간을 맞이하여 지난 학기에 하였던 것처럼 이번 2017년 가을학기에 열릴 이산수학/그래프이론 관련 교과목 및 기타 흥미로운 교과목을 정리해봅니다.

    MAS477 Introduction to Graph Theory (그래프이론개론). 월수 13:00~14:15, 엄상일

    • (네, 아시다시피 제가 하는 과목입니다.) 보통 매년 가을학기에 열렸으며 제가 연구년을 갔던 2013년에는 Andreas Holmsen 교수님이 강의를 하셨었고 작년에는 대수적 그래프이론 전공한 Brendan Rooney 교수님이 강의를 하였습니다. 2년만에 다시 하게 되었습니다.
    • 그래프이론의 다양한 부분을 다룹니다. 보통 많이 생각하는 기초적인(?) 해밀턴 회로 오일러 회로 같은건 다루지 않습니다. 주요 내용을 언급하면 아래와 같습니다.
      • 그래프 connectedness: 그래프가 얼마나 잘 연결되었는지, 그리고 한 점에서 다른 점으로 몇 개의 서로 겹치지 않가 있는지와 같은 Menger 정리 등.
      • 그래프의 매칭: 남녀 학생을 짝지울때 써먹는(?) 홀의 결혼정리와 König의 정리, 그리고 남녀가 아닌 일반적인 그래프의  perfect matching에 관한 Tutte의 정리, 그리고 그래프의 maximum matching이 어떤 구조인지 설명하는 Gallai-Edmonds Structure 정리와 함께 Edmonds의 유명한 다항식 시간에 maximum matching 찾는 알고리듬을 다룹니다.
      • 평면그래프: 이산수학 시간에는 정리만 배웠던 Kuratowski 정리를 엄밀하게 증명합니다. 오일러 공식 및 dual에 대해 다룹니다.
      • 채색 문제:  4색정리5색정리를 증명합니다. List Coloring도 배우며 이를 통해 Thomassen의 다른 방식의 5색 정리 증명도 배웁니다. 그리고 perfect graph에 관한 성질도 배웁니다.
      • Flow 문제: 채색문제의 dual이라고 할 수 있는 nowhere-zero flow에 관해 배우고 관련된 Tutte의 유명한 추측들을 다룹니다.
      • 그외 시간에 따라 다룰 가능성이 있는 주제: Turan 정리, Hadwiger 추측, Szemeredi의 Regularity lemma, Higman의 lemma, Kruskal의 well-quasi-ordering 정리, Robertson과 Seymour의 그래프 마이너 정리
    • 교재: 매년 R. Diestel 교수의 그래프 이론 GTM 책(http://diestel-graph-theory.com)을 교재로 지정하였으나, 올해는 참고도서로만 지정하였습니다. 책 값이 비싸다는 불평들이 있었고, 사실 수업 내용은 평행우주를 달린다는 평도 있었기에…
    • Syllabus

    MAS583C Topics in Analytic Combinatorics (해석조합론), 화목 10:30-11:45, 김동수 교수님

    • 예전에 1학점 특강으로 잠깐 개설된 적이 있던 주제인데 이번에 처음 3학점 특강 과목으로 개설되었습니다. 학부 고년차나 대학원생의 경우 학부때 배우는 복소 과목이 어떻게 조합론에서 쓰일 수 있나 알아보는 기회가 되겠습니다. 특히 어떤 조합적 대상의 수를 asymptotic하게 새는 도구들을 배우게 된다고 보시면 됩니다. 과목을 마치게 되면 생성함수를 잘 다루게 될 것이고, 생성함수를 복소평면 위에서의 함수로 이해한 다음 singular point들을 찾아서 분석하는 기술을 습득하게 될 겁니다. 그 외에 다른 재미있는 주제가 있을 것 같습니다.
    • 교재: 참고도서만 지정되어 있습니다.

    아래는 그 외에 눈 여겨 본 과목들입니다. 일부 내용은 실라버스에서 발췌한 것입니다.

    • CS422 계산이론 (Martin Ziegler 교수님)
      • The Theory of Computation provides a sound logical foundation to computer science. By comparing various formal models of computation with respect to their capabilities, it identifies both fundamental features and ultimate limitations of contemporary digital computing machinery. Rigorous notions of efficiency are captured by famous complexity classes such as P and PSPACE; and concepts like oracles or polynomial-time reduction permit to compare computational problems with respect to their algorithmic cost: NP-hardness results thus serve as ‘beacons’ of intractability.
    • EE412 빅데이터 분석 개론 (신진우 교수님)
    • EE488A 머신러닝 소개 (유창동 교수님), EE488B 딥러닝과 알파고 (정세영 교수님), CS492E 기계학습입문 (양은호 교수님): 전기전자 및 전산학부 과목인데, 비슷한 주제로 세 과목이 열리네요.
    • EE817 Network Science (박홍식 교수님):
      • In the first half we deal with fundamental network and graph theory and then study generation, characteristics and analysis of various types of networks such as regular, random, small-world, and scale-free network. In the second half, we study dynamic processes on networks including phase transition, resilience, synchronization, epidemic spreading and information spreading in social networks.
    • MAS711 암호 및 부호이론 (한상근 교수님)
    • EE623 정보이론 (정혜원 교수님):
      • This course is a graduate-level introduction to information theory. Information theory is one of the most elegant mathematical theories, with a direct and significant impact to our lives in the information age. In this class, we will learn how to model the information transmission/processing system, with applications of data science as well as communications, and analyze the model from information-theoretical perspectives to derive fundamental limits on what is possible on the system.
    • 전산학부의 기본 과목 중 관련 과목: CS204 이산구조, CS300 알고리듬 개론
    • 최적화 관련 산업및 시스템 공학과 교과목들: IE539 컨벡스 최적화 (김우창 교수님), IE631 정수계획법 (박성수 교수님)
  • 수학동아 "따끈따끈한 수학" 연재 (2017년)

    2016년부터 수학동아에 “따끈따끈한 수학”이라는 코너를 연재하고 있습니다. 소개된 논문을 정리한 글이 너무 길어져서 연도별로 분리하기로 하였습니다.
    2016년 따끈따끈한 수학 내용 보기

  • Theorems covered in MAS575 Combinatorics Spring 2017

    This post will give an incomplete list of theorems covered in MAS575 Combinatorics Fall 2017. This post will be continuously updated throughout this semester. (Last update: April 5, 2017.)
    2017년 봄학기 MAS575 조합론 과목에서 다룬 정리들을 정리하였습니다. 빠진 것도 있습니다. 강의가 진행되면서 내용을 업데이트 하겠습니다.

    • Graham and Pollak (1971). Proof by Tverberg (1982)
      • The edge set E(Kn) of the complete graph cannot be partitioned into less than n1 copies of the edge sets of complete bipartite subgraphs.
    • Lindström and Smet (1970).
      • Let A1,A2,,An+1[n]. Then there exist subsets I and J of [n+1] such that IJ,IJ=, and iIAi=jJAj.
    • Lindström (1993)
      • Let A1,A2,,An+2[n]. Then there exist subsets I and J of [n+2] such that IJ, IJ=, and iIAi=jJAj and iIAi=jJAj.
    • Larman, Rogers, and Seidel (1977) [New in 2017]
      • Every two-distance set in Rn has at most (n+22)+n+1 points. (A set of points is a two-distance set if the set of distances between distinct points has at most two values.)
    • Blokhuis (1984) [New in 2017]
      • Every two-distance set in Rn has at most (n+22) points.
    • Erdős (1963)
      • Let C1,C2,,Cm be the list of clubs and each club has at least k members. If m<2k1, then such an assignment of students into two lecture halls is always possible.
    • Erdős, Ko, and Rado (1961). Proof by Katona (1972)
      • Let kn/2. Let F be a k-uniform intersecting family of subsets of an n-set. Then |F|(n1k1).
    • Fisher (1940), extended by Bose (1949). Related to de Brujin and Erdős (1948)
      • Let k be a positive integer. Let F be a family on an n-set S such that |XY|=k whenever X,YF and XY. Then |F|n.
      • Corollary due to de Brujin and Erdős (1948):  Suppose that n points are given on the plane so that not all are on one line. Then there are at least n distinct lines through at least two of the n points.
    • Frankl and Wilson (1981). Proof by Babai (1988).
      • If a family F of subsets of [n] is L-intersecting and |L|=s, then |F|i=0s(ni).
    • Ray-Chaudhuri and Wilson (1975). Proof by Alon, Babai, and Suzuki (1991).
      • If a family F of subsets of [n] is uniform L-intersecting and |L|=s, then |F|(ns).  (A family of sets is \emph{uniform} if all members have the same size.)
    • Deza, Frankl, and Singhi (1983)
      • Let p be a prime. Let L{0,1,2,,p1} and |L|=s.If
        (i) |A|L+pZ for all AF,
        (ii) |AB|L+pZ for all A,BF, AB,
        then |F|i=0s(ni).
    • Alon, Babai, and Suzuki (1991)
      • Let p be a prime. Let k be an integer. Let L{0,1,2,,p1} and |L|=s. Assume s+kn. If
        (i) |A|kL+pZ for all AF,
        (ii) |AB|L+pZ for all A,BF, AB,
        then |F|(ns).
    • Grolmusz and Sudakov (2002) [New in 2017]
      • Let p be a prime. Let L{0,1,,p1} with |L|=s and k2. Let F be a family of subsets of [n] such that
        (i) |A|L+pZ for all AF and
        (ii) |A1A2Ak|L+pZ for every collection of k distinct members A1,A2,,Ak of F.
        Then |F|(k1)i=0s(ni).
    • Grolmusz and Sudakov (2002) [New in 2017]
      • Let |L|=s and k2. Let F be a family of subsets of [n] such that |A1A2Ak|L for every collection of k distinct members A1,A2,,Ak of F. Then |F|(k1)i=0s(ni).
    • Sperner (1928)
      • If F is an antichain of subsets of an n-set, then |F|(nn/2).
    • Lubell (1966), Yamamoto (1954), Meschalkin (1963)
      • If F is an antichain of subsets of an n-element set, then AF1(n|A|)1.
    • Bollobás (1965)
      • Let A1, A2, , Am, B1, B2, , Bm be subsets on an n-set such that
        (a) AiBi= for all i[m],
        (b) AiBj for all ij.
        Theni=1m1(|Ai|+|Bi||Ai|)1.
    • Bollobás (1965), extending Erdős, Hajnal, and Moon (1964)
      • If each family of at most (r+sr) edges of an r-uniform hypergraph can be covered by s vertices, then all edges can also be covered by s vertices.
    • Lovász (1977)
      • Let A1, A2, , Am, B1, B2, , Bm be subsets such that |Ai|=r and |Bi|=s for all i and
        (a) AiBi= for all i[m],
        (b) AiBj for all i<j.
        Then m(r+sr).
      • Let W be a vector space over a field F. Let U1,U2,,Um,V1,V2,,Vm be subspaces of W such that dim(Ui)=r and dim(Vi)=s for each i=1,2,,m and
        (a) UiVi={0} for i=1,2,,m;
        (b) UiVj{0} for 1i<jm.
        Then m(r+sr).
    • Füredi (1984)
      • Let U1,U2,,Um,V1,V2,,Vm be subspaces of a vector space W over a field F. If dim(Ui)=r, dim(Vi)=s for all i{1,2,,m} and for some t0,
        (a) dim(UiVi)t for all i{1,2,,m},
        (b) dim(UiVj)>t for all 1i<jm,
        then m(r+s2trt).
    • Frankl and Wilson (1981)
      • The chromatic number of the unit distance graph of Rn is larger than 1.2n for sufficiently large n.
    • Kahn and Kalai (1993)
      • (Borsuk’s conjecture is false) Let f(d) be the minimum number such that every set of diameter 1 in Rd can be partitioned into f(d) sets of smaller diameter. Then f(d)>(1.2)d for large d.
    • Mehlhorn and Schmidt (1982) [New in 2017]
      • For a matrix C, 2κ(C)rank(C). (Let κ(C) be the minimum number of rounds in order to partition C into almost homogeneous matrices, if in each round we can split each of the current submatrices into two either vertically or horizontally. This is a parameter related to the communication complexity.)
    • Lovász and Saks (1993)
      • κ(C)rk(C).
    •  ?
      • There exists a randomized protocol to decide the equality of two strings of length n using O(logn) bits.
        The probablity of outputting an incorrect answer is less than 1/n.
    • Dvir (2009) [New in 2017]
      • Let fF[x1,,xn] be a polynomial of degree at most q1 over a finite field F with q=|F| elements. Let K be a Kakeya set. If f(x)=0 for all xK, then f is a zero polynomial.
      • If KFn is a Kakeya set, then |K|(|F|+n1n)|F|nn!.
    • Ellenberg and Gijswijt (2017) [New in 2017]
      • If A is a subset of F3n with no three-term arithmetic progression, then |A|3N where N=a,b,c0;a+b+c=n;b+2c2n/3n!a!b!c!.Furthermore 3No(2.756n).
    • Tao (2016) [New in 2017]
      • Let k2 and let A be a finite set and F be a field. Let f:AkF be a function such that if f(x1,x2,,xk)0, then x1=x2==xk. Then the slice rank of f is equal to |{x:f(x,x,,x)0}|.
    • Erdős and Rado (1960) [New in 2017]
      • There is a function f(k,r) on positive integers k and r such that every family of k-sets with more than f(k,r) members contains a sunflower of size r.
    • Naslund and Sawin (2016) [New in 2017]
      • Let F be a family of subsets of [n] having no sunflower of size 3. Then |F|3(n+1)kn/3(nk).
    • Alon and Tarsi (1992)
      • Let F be a field and let fF[x1,x2,,xn]. Suppose that deg(f)=d=i=1ndi and the coefficient of i=1nxidi is nonzero. Let L1,L2,,Ln be subsets of F such that |Li|>di. Then there exist a1L1, a2L2, , anLn such that f(a1,a2,,an)0.
    • Cauchy (1813), Davenport (1935)
      • Let p be a prime and let A,B be two nonempty subsets of Zp. Then |A+B|min(p,|A|+|B|1).
    • Dias da Silva and Hamidoune (1994). A proof by Alon, Nathanson, and Ruzsa (1995). Conjecture of Erdős and Heilbronn (1964).
      • Let p be a prime and A be a nonempty subset of Zp. Then |{a+a:a,aA,aa}|min(p,2|A|3).
    • Alon (2000)  [New in 2017]
      • Let p be an odd prime. For k<p and every integers a1,a2,,ak,b1,b2,,bk,  if b1,b2,,bk are distinct, then there exists a permutation π of {1,2,,k} such that the sums ai+bπ(i) are distinct.
    • Alon? [New in 2017]
      • If A is an n×n matrix over a field F, per(A)0 and bFn,  then for every family of sets L1, L2, , Ln of size 2 each, there is a vector xL1×L2××Ln such that (Ax)ibi for all i.
    • Alon? [New in 2017]
      • Let G be a bipartite graph with the bipartition A, B with |A|=|B|=n. Let B={b1,b2,,bn}. If G has at least one perfect matching, then for every integer d1,d2,,dn,  there exists a subset X of A such that for each i, the number of neighbors of bi in X is not di.
    • Erdős, Ginzburg, and Ziv (1961) [New in 2017]
      • Let p be a prime. Every sequence a1,a2,,a2p1 of integers contains a subsequence ai1, ai2, , aip such that  ai1+ai2+aip0(modp).
    • Alon, Friedland, and Kalai (1984) [New in 2017]
      • Every (multi)graph with average degree >4 and maximum degree 5 contains a 3-regular subgraph.
    • ?
      • Let G be an undirected graph. Let d(G)=maxHG|E(H)||V(H)|. Then there is an orientation of G such that the outdegree of each vertex is at most d(G).
    • Alon and Tarsi (1992)
      • A simple planar bipartite graph is 3-choosable.
  • KAIST에서 2017년 봄에 열리는 이산수학/그래프이론 관련 교과목

    2017년 봄학기 수강신청 기간이 다가왔습니다. 이번 학기에도 여러 이산수학/그래프이론 관련 교과목이 열릴 예정입니다. 수강신청에 참고할 수 있도록 정리해봅니다.

    MAS275 Discrete Mathematics (이산수학). 화목 14:30~16:00, 김동수 교수.

    • 매년 봄학기마다 열리고 특별한 선수과목이 없습니다. 조합적 사고를 잘 할 수 있도록 도와주기 때문에 다른 과목을 듣기 전에 이 과목은 반드시 듣는 것을 추천합니다.

    MAS487 Discrete Geometry (이산기하) 화목 13:00~14:30, Andreas Holmsen 교수.

    • 2년~3년 정도 주기로 열리고 있는 과목입니다. 국내에서는 KAIST에서만 볼 수 있는 과목으로 이산기하 전공하신 교수님으로부터 잘 배울 수 있습니다. 흥미로운 증명과 주제들이 많습니다. 마지막으로 열린 것은 2014년 봄입니다. 특별한 선수과목은 없지만 이산수학을 들어두었으면 수학적 내공이 충분하지 않을까 생각됩니다.
    • 강의 설명:This course is an introduction to discrete geometry. We will cover basic results from packing and covering, convex polytopes, intersection patterns of convex sets, and combinatorial geometry. Our goal is to reach some key results by combining methods from linear algebra, topology, and probability. However, since this is an introductory course, all necessary notions will be introduced. The main prerequisite for this course is a basic understanding of elementary discrete mathemtaics and the n-dimensional Euclidean space.
    • 교재: Jiří Matoušek, Lectures on Discrete Geometry (Springer, GTM 212). http://link.springer.com/book/10.1007%2F978-1-4613-0039-7
      • KAIST 교내에서는 위 링크를 통해 Springer에서 책을 온라인으로 볼 수 있습니다.

    MAS480 수학특강 Algebraic Graph Theory (대수적 그래프이론), 월수 13:00~14:30, Brendan Rooney 교수.

    • 교재: Chris Godsil, Gordon Royle, Algebraic Graph Theory, Sringer, GTM 207. http://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4613-0163-9
      • KAIST 교내에서는 위 링크를 통해 Springer에서 책을 온라인으로 볼 수 있습니다.
    • KAIST에서는 적어도 최근 10년간은 열린 적이 없는 과목이고 앞으로도 언제 다시 열릴지 알 수 없는 과목입니다. Algebraic Graph Theory를 전공하였고 교재의 저자인 Chris Godsil 교수로부터 박사학위를 받은 Brendan Rooney 교수님이 강의하실 예정이라 기대가 됩니다.
    • 중요한 선수과목은 선형대수학개론 혹은 선형대수학입니다. 행렬의 eigenvalue 관련된 내용을 숙지하고 spectral decomposition 같은 것들도 잘 알고 있으면 좋습니다.

    MAS575 Combinatorics (조합수학), 화목 10:30~12:00, 엄상일.

    • 주교재: S. Jukna, Extremal Combinatorics, Springer-Verlag http://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-642-17364-6
      • KAIST 교내에서는 위 링크를 통해 Springer에서 책을 온라인으로 볼 수 있습니다.
    • 여러 기술들이 조합수학의 정리를 증명하는데 어떻게 활용되는지 다양하게 살펴봅니다. 선형대수 활용하는 방법, 다항식의 성질을 활용하는 방법, 램지 정리 관련, 확률을 활용하는 방법 등 다양한 주제를 다룹니다. 이산수학, 선형대수학개론을 수강한 학생이 듣는 것이 좋으며 가을마다 열리는 그래프이론개론을 수강했었다면 좀더 수월할 수도 있지만 내용은 독립적입니다.
    • 2년마다 한 번씩 봄에 열리며, 학부생이나 대학원생 모두 수강 가능합니다.

    MAS583C 수학특론 Parameterized Algorithms and Lower Bounds (매개변수 고정 알고리즘과 하한), 수 16:00~17:30, 금 10:30~12:00, Helmut Alt 교수 및 Otfried Cheong 교수

    • 전산학과 CS700과 교차개설된 과목입니다. 강의실도 전산학부 건물에서 열립니다. 독일 베를린자유대학 Helmut Alt 교수님이 KAIST 오셔서 강의하십니다.
    • 강의홈페이지: http://otfried.org/courses/cs700spring2017/
    • 비슷한 과목은 2014년 봄에 수리과학과에서 제가 MAS583B Fixed-Parameter Algorithms라는 제목으로 연 적이 있습니다. 내용은 비슷하지 않을까 생각합니다. 그래프이론과도 관련이 많고 제 연구와도 관련이 많습니다.
    • 교재: Marek Cygan, Fedor V. Fomin, Łukasz Kowalik, Daniel Lokshtanov, Dániel Marx, Marcin Pilipczuk, Michał Pilipczuk, and Saket Saurabh, Parameterized Algorithms, Springer. http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-21275-3
      • KAIST 교내에서는 위 링크를 통해 Springer에서 책을 온라인으로 볼 수 있습니다.
  • 수학동아 연재 (2016년)

    2016년부터 수학동아에 “따끈따끈한 수학”이라는 코너를 연재하기로 하였습니다. 목표는 이산수학 분야의 따끈따끈한 논문 소식들을 중학생 수준에서도 읽을만하게 적는 것입니다. 사실 그게 말처럼 쉬운 것은 아니지만요.
    현재까지 실린 글과 앞으로 실릴 글을 예고하고 관련 논문을 정리했습니다. 혹시 글감으로 추천할 논문이 있으면 연락주셔도 좋습니다.
    글이 길어져서 2017년 내용은 따로 분리하였습니다.
    2017년 따끈따끈한 수학 내용 보기

  • KSIAM 조합론 분과 신설 소식

    KSIAMbannerz

    최근 KSIAM(한국산업응용수학회)조합론(Combinatorics) 분과가 신설되었습니다. 미국의 SIAM에서는 Discrete Mathematics가 예전부터 하나의 분과였는데 KSIAM에는 이제야 생기게 된 것이지요. 조합론 전공하시는 분들께서는 이번 기회에 KSIAM에 가입해주시면 좋을 것 같습니다. 가입하기 위해서는 KSIAM 홈페이지에서 가입신청을 하시고 회비를 신용카드 등으로 지불하면 됩니다. 하실때 조합론(Combinatorics) 분과를 선택해주시면 됩니다.

    참고로 KSIAM 회원은 Reciprocity 계약에 의해 SIAM 회비의 30%를 할인받을 수 있습니다. 할인받는 방법은 KSIAM 홈페이지에 잘 나와 있습니다.

    SIAM 회비는 regular member의 경우 2015년 현재 $145이지만 Reciprocal member의 경우 $101.50입니다. 따라서 $43.50 할인되지요. 그런데 KSIAM 회비는 5만원입니다. 환율이 1150원 이상만 되더라도 $43.50이 5만원을 넘네요? SIAM 회비 매년 내시고 SIAM Conference on Discrete Mathematics 같은 학회 가시던 분들께서는 이번 기회에 KSIAM 회원 가입하시길 적극 권해드립니다.

    Disclaimer: 제가 KSIAM의 조합론 분과 분과장을 부탁받아서 분과장을 맡게 되었습니다. 2015년 KSIAM 가을학회가 11월20일-22일 3일간 부산에서 열린다고 하고, 조합론 분과가 생긴 이후 처음으로 열리게 되는 셈이니 많은 전공자 분들께서 참가해주시면 좋겠다는 바램입니다.

    업데이트 (2021년 1월): KSIAM 연회비가 2021년부터 정회원은 10만원, 학생회원은 6만원으로 인상되었습니다.

  • 그래프 이론 용어 우리말 번역

    그래프 이론에서 널리 사용되는 용어들을 우리 말로 번역하는 적절한 표준이 아직 없습니다. 10여년 전에 성균관대 이상구 교수님께서 제작한 “그래프이론 용어사전” 웹사이트가 있습니다만, matching이나 k-connected같은 현대적이고 널리 (제) 연구에 쓰이는 그래프이론 용어가 나오지 않습니다. 오죽하면, 2000년에 고 이창우 교수님이 Introduction to Combinatorics라는 책을 쓰셨는데, 서문을 읽어보면 한국어 용어를 몰라 영어를 잘 못하는데도 불구하고 영어로 책을 쓰게 되었다고 적혀있습니다. (저도 어쩌다보니 보게 된 책일 뿐, 그래프이론 공부를 위해서는 딱히 추천하는 책은 아닙니다.)

    content
    한국어 용어가 없어서 영어로 써버린 어느 책.

    KAIST에서는 수업을 영어로 하니 우리 말로 그래프 이론 용어를 강의할 일이 거의 없습니다. 가끔 대중강연이나 고등학생 상대 강연, 그리고 연구비 신청서를 쓸 때 우리 말로 그래프 이론 용어를 쓰게 되는데 그때마다 불편합니다.
    대한수학회 용어사전에서 matching을 ‘부합’으로 번역하였다며, 2014년 12월에는 위키피디아 한국어판에서 매칭이라는 용어를 모두 부합으로 바꿔버리는 황당한 일이 있었습니다. 가만히 있다가는 정말 엉뚱한 용어들이 등장할 것 같은 위기감에서 이 글을 씁니다.
    한편, 1990년대에만 해도 고등학교 교과과정에는 그래프이론이 전혀 등장하지 않았습니다. 하지만 2000년대 중반에 교과과정 개편을 통해 그래프이론이 살짝 나오는 것 같습니다. (하지만, 전공자인 제가 보기에는 고교에서 가르치는 주제의 선택이 그리 마음에 들지 않습니다. 고교 수준이라면  굳이 행렬의 n승과 인접행렬의 관계, 해밀턴 회로 같은 것은 다루지 말고, 수학적 귀납법 가르칠 때 수학적 귀납법의 응용으로 홀의 결혼정리나 그래프 채색 문제를 소개하는 것이 왜 그래프가 유용한지 더 설명하고 수학적 사고를 키우는 교육으로 좋다고 생각합니다.)
    고등학교에서 그래프 이론을 배우지 않은 연구자들이 배우고 나온 학생들과 대화하기 위해서는 고교에서 사용되는 용법을 아는 것도 필요하리라 생각합니다. 이 글에서는 같은 단어에 대해 어떻게 사용되고 있는지, 어떤 것이 좋을지 시간날 때마다 정리해볼까 합니다. ?가 붙어있는 번역은 저도 확신이 서지 않는 것이며, 괄호안에 적힌 것들은 그렇게도 사용된다는 뜻입니다. 굵은 글씨는 제가 추천하는 번역입니다.
    의견 환영합니다. 제가 고교교과서를 가지고 있지 않으므로 고교교과과정에 나오는 용어가 다른 것이 있다면 제보도 부탁드립니다.

    • 기본 용어
      • graph: 그래프
      • vertex: 꼭짓점 (꼭지점, 점)
        고등학교 교과서에서 꼭짓점으로 표현하고 있습니다.
      • edge:  (선)
        고등학교 교과서에서 으로 표현하고 있습니다.
      • degree: 차수 (고교 교과서에 나옵니다.)
      • complete graph: 완전그래프
        (어감으로는 완전 그래프보다는 꽉찬 그래프가 좋을 것 같긴 합니다.)
      • complete bipartite graph: 완전이분그래프
      • complement graph: 뒤집은 그래프?
      • loop: 고리? (루프)
      • line graph: 선그래프? 변그래프?
      • adjacency matrix: 인접행렬 (종속행렬)
        고교교과서에서 인접행렬이라고 부르고 있습니다.
      • incidence matrix: ?
      • hypergraph: 하이퍼그래프?
    • subgraph 관련
      • subgraph: 부분그래프
      • induced subgraph: 유도된 부분그래프? (유도부분그래프?)
      • spanning subgraph: 생성부분그래프?
        사실 왜 생성이라고 해야할지 알 수 없습니다.
      • minor: 마이너
      • contraction: 축약
      • deletion: 지우기
      • topological minor: 위상적 마이너?
    • tree 관련
      • tree: 수형도 (나무, 트리)
        고교 교과서에 수형도로 나오는 것 같습니다.
      • spanning tree: 생성수형도? (생성나무?)
        어떤 분 박사논문에서 신장트리라는 표현을 본 적도 있습니다. 수학사랑의 사전에서는 minimal spanning tree가 생성수형도라고 잘못 적혀있습니다. spanning tree는 모두 minimal하기 때문에 minimal이라는 단어는 그래프에서는 의미가 없고, 보통은 변에 어떤 값을 주었을 때 minimum spanning tree를 찾게 됩니다.
      • minimum spanning tree: 최소생성수형도
      • forest: 숲?
      • leaf: 잎?
    • 연결성 관련
      • path: 경로
      • trail: 트레일?
        안타깝게도 고교교과서에서는 trail을 경로로 번역하고 있습니다.
      • cycle: 회로 (싸이클)
      • circuit: 닫힌 트레일?
        안타깝게도 고교교과서에서는 circuit을 회로로 번역하고 있습니다.
      • walk: 보행?
      • connected graph: 연결된 그래프 (연결그래프?)
      • 2-connected graph: 이중연결된 그래프 
      • 3-connected graph: 삼중연결된 그래프
      • k-connected graph: k중연결된 그래프 (k-꼭짓점 연결 그래프)
        k-연결된 그래프는 어떨까 하는 생각도 듭니다만, 이중연결된 그래프, 삼중연결된 그래프라고 표현하면 이연결, 삼연결 그래프보다 훨씬 이해가 쉽지 않을까 합니다.
      • 2-edge-connected graph: 변으로 2중 연결된 그래프?
      • 3-edge-connected graph: 변으로 3중 연결된 그래프?
      • k-edge-connected graph: 변으로 k중 연결된 그래프? (k-변 연결 그래프)
        이것의 번역은 고민됩니다.
      • (connected) component: 연결성분? (연결부분?)
      • edge cut: 변 절단?
      • vertex cut: 꼭짓점 절단?
      • cut vertex: 절단 꼭짓점? (절단점?)
      • cycle space: 회로공간?
      • bond: 결합?
      • bond space: 결합공간?
    • matching 관련
      • matching: 짝맞추기 (매핑, 짝지우기)
        대한수학회 용어사전에서 부합이라고 번역해두어서 위키피디아에 부합이라고 하지만 아무도 그렇게 쓰는 사람을 본 적이 없습니다.
      • perfect matching: 완벽한 짝맞추기
    • 색칠 관련
      • perfect graph: 완벽한 그래프
      • bipartite graph: 이분그래프
      • chromatic number: 채색수 (색칠수?, 착색수?)
      • edge-chromatic number, chromatic index: 변채색수? (변착색수?)
        (어감이 별로 좋지 않네요. ㅠㅠ)
      • list chromatic number: 목록 채색수?
      • chromatic polynomial: 채색다항식
      • k-degenerate graph: k-퇴화 그래프?
      • nowhere-zero k-flow: 전혀 0이 없는 k-플로우?
    • 평면그래프 관련
      • dual graph: 쌍대 그래프?
      • planar graph: 평면 그래프
        plane graph와 planar graph의 정의가 다른데, 이 부분을 어떻게 처리할 지 고민입니다. 엄밀하게 하자면 plane graph를 평면그래프로, planar graph는 평면에 그릴 수 있는 그래프로 해야 맞겠지만, 여전히 만족스럽지 못합니다.
    • 분해 관련
      • ear decomposition: 귀 분해?
      • block decomposition: 블락 분해?
      • tree-decomposition: 수형도 분해?
      • path-decomposition: 경로 분해? 일자형 분해?
      • branch-decomposition: 가지 분해?
      • tree-width: ?
      • path-width: ?
      • branch-width: ?
      • clique-width?
      • tree-depth: ?
      • rank-width: ?
    • vertex-transitive graph: ?
  • KMO 여름학교/겨울학교 강의노트

    KMO 여름학교/겨울학교 강의노트

    KMO logo2008년부터 대한수학회 주최 한국수학올림피아드(KMO) 여름학교와 겨울학교에서 조합수학 분야 강의를 해왔습니다. 그 중 유인물을 나눠준 적이 몇 번 있는데 그것들을 여기에 공유하고자 합니다.

    • 2008년 제21기 겨울학교 (KAIST, 1월 7일-1월 22일) (유인물 없음)
    • 2008년 제18기 여름학교 유인물 (KAIST, 7월 28일-8월 8일)
      • 비둘기집의 원리와 램지 이론 / 수학적 귀납법 / 그래프이론
    • 2009년 제19기 여름학교 (배재대, 8월 4일-8월 13일) (유인물 없음)
    • 2010년 제23기 겨울학교 (한남대, 1월 6일-1월 21일) (유인물 없음)
    • 2010년 제20기 여름학교 (충남대, 8월 2일-8월 13일) (유인물 없음)
    • 2011년 제24기 겨울학교 (KAIST, 1월 6일-1월 21일) (유인물 없음)
    • 2011년 제21기 여름학교 유인물 (KAIST, 8월 1일-8월 12일)
      • 수학적 귀납법
    • 2012년 제25기 겨울학교 (KAIST, 1월 4일-1월 19일) (유인물 없음)
    • 2012년 제22기 여름학교 유인물 (충남대, 7월 26일-8월 7일)
      • 수학적 귀납법
    • 2013년 제26기 겨울학교 유인물 (KAIST, 1월 8일-1월 21일)
      • partial order, well-quasi-order, Dilworth 정리, antichain
    • 2014년 제23기 여름학교 (KAIST, 7월 23일-8월 1일) (유인물 없음)
    • 2015년 제28기 겨울학교 유인물 (KAIST, 1월 2일-1월 15일)
      • 확률론적 방법론
    • 2015년 제24기 여름학교 유인물 (KAIST, 8월 3일-14일)
      • 수학적 귀납법
    • 2016년 제29기 겨울학교 (KAIST, 1월 6일-19일) (유인물 없음)
    • 2016년 제25기 여름학교 (KAIST, 8월 1일-12일) (유인물 없음)
    • 2017년 제30기 겨울학교 (KAIST, 1월 4일-17일) (유인물 없음)
    • 2017년 제26기 여름학교 (KAIST, 7월 31일-8월 11일) (유인물 없음)
    • 2018년 제31기 겨울학교 (KAIST, 1월 3일-1월 16일) (유인물 없음)

    한편 1993년 1월에 있었던 제6기 한국수학올림피아드 겨울학교에 고등학생으로 참가하여 필기했던 노트도 공유합니다. 누락되거나 빠진 페이지가 있을 수 있습니다.

  • Dynamic survey on rank-width

    Note added on Jan. 2019: An improved version of this article has been published as a journal paper in Discrete Applied Mathematics.

    Dynamic survey on rank-width and related width parameters of graphs

    Sang-il Oum

    Aug 19, 2013

     

    This is an incomplete on-going survey on rank-width and its related parameters. I intend to expand it slowly.
    By no means, this will be complete.
    Please feel free to leave comments or give me suggestions.

     

    1  Definitions

    Rank-width was introduced by Oum and Seymour [35].
    Clique-width is defined and investigated first by Courcelle and Olariu [5] published in 2000, but the operations for clique-width has been introduced by Courcelle, Engelfriet, and Rozenberg [4] in 1993.
    NLC-width was introduced by Wanke [40] in 1994.
    Boolean-width was introduced by Bui-Xuan, Telle, and Vatshelle [2].

     

    2  Well-quasi-ordering

    Oum [31] proved that graphs of bounded rank-width are well-quasi-ordered under taking pivot-minors.
    This result has been generalized to

    1. skew-symmetric or symmetric matrices over a fixed finite field
      by Oum [34],

       
    2. σ-symmetric matrices over a fixed finite field by Kante [20].
       
     

    3  Forbidden vertex-minors

    Oum [29] showed that if a graph has rank-width k, then so is its vertex-minor.
    This, together with the well-quasi-ordering theorem [31] implies that
    for each k, there exists a list of finitely many graphs such that a graph has rank-width at most k if and only if none of its vertex-minors is isomorphic to a graph in the list.

     

    Oum [29] showed that for each k, the forbidden vertex-minor for rank-width at most k has at most (6k+1−1)/5 vertices.
    So in theory, we can enumerate all of them by an algorithm for fixed k.

     

    However, it is not clear how to find the list of forbidden vertex-minors
    for graphs of linear rank-width at most k,
    as there are no analogous upper bound on the size of forbidden vertex-minors. Jeong, Kwon, and Oum [16]
    showed that there are at least 3Ω(3k) forbidden vertex-minors for linear rank-width at most k.

     

    4  Hardness

    Computing rank-width is NP-hard. It can be easily deduced by combining the following known facts. This reduction is mentioned in [30].

    1. Seymour and Thomas [37] proved that computing branch-width is NP-hard.
      Kloks, Kratochvíl, and Müller [21] even showed that it is NP-hard to compute branch-width of interval graphs.

       
    2. Hicks and McMurray Jr. [13] and independently Mazoit and Thomassé [26] showed that if a graph G is not a forest, then the branch-width of the cycle matroid M(G) is equal to the branch-width of G.
       
    3. Oum [29] showed that the branch-width of a binary matroid is equal to the rank-width of its fundamental graph. Every graphic matroid is binary.
       

    It is not known to me whether computing linear rank-width is NP-hard.

     

    Computing clique-width is NP-hard, shown by Fellows, Rosamond, Rotics, and Szeider [8].

     

    Computing the relative clique-width is also NP-complete, shown by Müller and Urner [27]. The relative clique-width [24] is a clique-width restricted to a fixed decomposition tree.

     

    Gurski and Wanke [12] proved that computing NLC-width is
    also NP-hard via a reduction from the tree-width.

     

    5  Finding an approximate rank-decomposition for a fixed k

     

    Oum and Seymour [35] provided an algorithm to
    find a rank-decomposition of width at most 3k+1 or confirm that the input graph has rank-width bigger than k
    in time O(8k n9 logn).
    (Here, n is the number of vertices of the input graph.)
    The running time was later improved by Oum [30]
    to O(8k n4).

     

    This allows us to find a rank-decomposition of width at most c′ times rank-width
    if the rank-width is at most clogn in polynomial time.
    This is used in the quantum information theory (see Van den Nest, Dür, Vidal, and Briegel [38]) for their study on measurement-based quantum computation.

     

    If we do not mind having bigger function in k, then in the same paper [30], it is possible to find a rank-decomposition of width 3k−1 or
    confirm that the rank-width is bigger than k in time O(f(k)n3).

     

    We do not know whether there is an algorithm to find an approximate rank-decomposition of width O(k) in time O(c1k nc) for c ≤ 3
    when an input graph has rank-width at most k.

     

    These algorithms can be used as a tool to construct an expression for clique-width decomposition, which are essential in many algorithmic applications.

     

    6  Deciding rank-width at most k for fixed k

    There is a general algorithm of Oum and Seymour [36] which can construct a branch-decomposition of any symmetric submodular function in time O(n8k+c), and if we apply it to rank-width, we get an algorithm of running time O(n8k+12logn).
    Note that a simple general algorithm for path-width of any symmetric submodular function
    was developed by Nagamochi [28], which is applicable to linear rank-width in time O(n2k+4).

     

    Courcelle and Oum [6] first constructed an algorithm to decide, for fixed k, whether rank-width is at most k in time O(f(k)n3). But their algorithm uses the monadic second-order logic formula and does not provide an explicit rank-decomposition even if it exists.

     

    This problem was solved later.
    Hlinený and Oum [14] constructed an algorithm to decide whether rank-width is at most k
    and find a rank-decomposition of width at most k, if it exists, in time O(f(k)n3).
    Here, f(k) is growing very fast with k, because the algorithm uses the monadic second-order logic as well as the list of forbidden minors for branch-width at most k for matroids representable over a fixed finite field.
    Geelen, Gerards, Robertson, and Whittle [11] proved that the forbidden minors for matroids of branch-width at most k have at most (6k−1)/5 elements. This implies that we can construct an explicit algorithm for testing rank-width at most k and constructing a rank-decomposition of width at most k if it exists. (If there was no upper bound, then it may be impossible to enumerate all forbidden minors.)

     

    One can also decide whether the linear rank-width is at most k in time O(n3) by using the well-quasi-ordering theorem [31] and monadic second-order logic formula to test vertex-minors [6]. But it is not known how to find the list of forbidden vertex-minors.

     
     

    Wahlström [39] showed that deciding whether clique-width is at most k and finding a k-expression can be done in time O*((2k+1)n).

     

    Espelage, Gurski, and Wanke [7] constructed an algorithm to decide whether a graph has clique-width at most k for graphs of bounded tree-width.

     

    7  Relation to Tree-width

     

    Kante [19] showed that rank-width is at most 4k+2 if the tree-width is k.
    Later,
    Oum [32] showed that rank-width is at most k+1 if tree-width is k.
    In fact, it is shown that

    if G has branch-width k,
    then the incidence graph of G has rank-width k or k−1,
    unless k=0.
     

    Corneil and Rotics [3] showed that the clique-width is at most 3·2k−1 if the tree-width is k.
    Moreover, they proved that for each k, there is a graph G having tree-width k and clique-width at least 2k/2−1.
    This also implies that there are graphs having rank-width at most k+1 and clique-width at least 2k/2−1 for each k.

     

    Kwon and Oum [22] proved that every graph of rank-width k
    is a pivot-minor of a graph of tree-width at most 2k.
    They also proved that every graph of linear rank-width k is a pivot-minor of a graph of path-width k+1.
    In other words,
    a set I of graphs has bounded rank-width
    if and only if it is a set of pivot-minors of graphs of bounded tree-width.

     

    Fomin, Oum, and Thilikos [10] showed that when graphs are planar, or H-minor-free, then
    having bounded tree-width is equivalent to having bounded rank-width.
    For instance, if a graph G is planar and has rank-width k,
    then tree-width is at most 72k−2.
    If G of rank-width k
    has no Kr minor with r > 2, then tree-width is at most 2O(rloglogr)k.
    This is already proven in Courcelle and Olariu [5] without explicit bounds because they use logical tools.

     

    8  Exact Algorithms

    There are small number of papers dealing with computing exact value of rank-width or related width parameters.

     
    Width Parameter Running time Paper
    Rank-width O*(2n) Oum [33]
    Linear rank-width O*(2n) forklore (trivial)

    The running time to compute clique-width exactly seems open.

     

    Müller and Urner [27] proved that NLC-width can be computed in time O(3n n) for an n-vertex graph.
    When they gave a talk at GROW2007 about this result, they further claimed that clique-width can be computed in time O*(3n) by finding a polynomial-time algorithm to compute relative clique-width [24] but later Ruth Urner emailed me that there was a mistake.

     

    Branch-width of graphs can be computed in time O*((2√3)n), shown by Fomin, Mazoit, and Todinca [9].

     

    9  Random graphs

    Lee, Lee, and Oum [23] showed that asymptotically almost surely the Erdös-Rényi random graph G(n,p) has rank-width n/3−O(1) if p is a constant between 0 and 1.
    Furthermore, [1/(n)] << p ≤ [1/2], then the rank-width is [(n)/3]−o(n),
    and if p = c/n and c > 1, then rank-width is at least r n for some r = r(c).

     

    Since the clique-width is at least rank-width, this also gives a lower bound for clique-width.

     

    Adler, Bui-Xuan, Rabinovich, Renault, Telle, and Vatshelle [1] claimed that boolean-width of G(n,p) for fixed 0 < p < 1 is Θ(log2 n) asymptotically almost surely.

     
    Remark.
    Johansson [17] (also in his Ph.D. thesis
    [18]) claimed in a conference paper that NLC-width
    and clique-width of a random graph G(n,p) for a fixed 0 < p < 1 is
    Ω(n) almost surely. But we believe that the proof is incorrect.

     

    In 2009, Marecek [25] studied the rank-width
    of G(n,1/2), though I believe that the first version of his paper on
    arxiv1 is
    incorrect; Later versions have different proofs.

     

    10  Explicit graphs

    Jelínek [15] proved that an n×n grid has rank-width n−1.

     

    11  Software

    Philipp Klau Krause implemented a simple dynamic programming algorithm
    to compute the rank-width of a graph2.
    This software is now included in the open source mathematics software
    package called SAGE; see the
    manual3.

     

    Apparently Friedmanský wrote Master’s thesis on “implementation of
    optimization of a graph algorithm for computing rank-width”4 under the
    supervision of Robert Ganian.

     

    Acknowledgment

    I would like to thank careful readers who kindly emailed me
    suggestions for this survey.

    • August 2013: Jisu Jeong found a typo.
       
    • August 2013: Chiheon Kim pointed out a mistake on the statement
      on the consequence of a theorem by Corneil and Rotics.

       
    • July 2013: J. Marecek explained his paper on arxiv.
       
    • July 2013: F. Gurski provided a journal version of his paper
      with E. Wanke cited
      in the survey.

       
     
     

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    2http://pholia.tdi.informatik.uni-frankfurt.de/~philipp/software/rw.shtml

     

    3http://www.sagemath.org/doc/reference/graphs/sage/graphs/graph_decompositions/rankwidth.html

     

    4http://is.muni.cz/th/172614/fi_m/thesis.pdf