수학 개념 지도
그래프 이론(Graph theory)

그래프

점(꼭짓점⁠, vertex⁠)과 그 사이를 잇는 선(변)으로 관계만 남긴 구조. 어디에 어떻게 그리든, 누가 누구와 이어졌는지만이 그래프를 정한다.

G=(V,E),∑v∈Vdeg⁡v=2 ∣E∣G = (V, E), \qquad \sum_{v \in V} \deg v = 2\,|E|
먼저 보면 좋은 개념집합

그래프는 꼭짓점들의 집합⁠(set)⁠ VV와, 꼭짓점 두 개를 잇는 변들의 집합 EE로 이루어집니다. 점을 어디에 찍든, 선을 곧게 긋든 휘게 긋든 상관없습니다. 누가 누구와 이어졌는지만 남기고 나머지는 모두 지운 것입니다. 도시와 도로, 사람과 친구 관계, 웹 페이지와 링크, 원자와 결합이 모두 그래프입니다. (여기서 그래프는 함수⁠(function)⁠의 그래프와 다른 뜻입니다.) 이 쪽에서는 같은 두 점 사이에 변이 많아야 하나이고, 점이 자기 자신과 이어지지 않는 그래프를 다룹니다. 같은 두 점을 잇는 변이 여럿일 수 있으면 다중 그래프라 부르며, 쾨니히스베르크의 다리가 그런 예입니다.

에서 시작해 봅시다. 꼭짓점 두 개를 차례로 누르면 그 사이에 변이 생기고, 이미 있으면 없어집니다. 점 안의 수는 그 점에 붙은 변의 개수, 곧 차수입니다.

꼭짓점 두 개를 차례로 누르면 변을 잇거나 끊습니다. 같은 색은 같은 연결 성분입니다.

지금 변은 개이고 차수를 모두 더하면 입니다. 차수의 합은 언제나 변 개수의 두 배입니다. 변 하나가 양 끝 두 점의 차수를 하나씩 올리기 때문입니다. 이것을 악수 정리⁠(handshake lemma)⁠라고 부르는데, 파티에서 사람마다 악수한 횟수를 모두 더하면 악수 한 번이 두 사람에게 한 번씩 세어지므로 전체 악수 횟수의 두 배가 된다는 데서 온 이름입니다. 차수의 합이 짝수이니, 차수가 홀수인 꼭짓점은 늘 짝수 개입니다. 지금은 개입니다. 이 홀짝이 오일러 경로⁠(Euler path)⁠ 문제의 열쇠입니다.

하나 더 있습니다. 꼭짓점이 둘 이상인 그래프에는 차수가 같은 두 점이 반드시 있습니다(다중 그래프에서는 성립하지 않습니다). n개 점의 차수는 0부터 n−1까지인데, 차수가 0인 점(아무와도 안 이어짐)과 n−1인 점(모두와 이어짐)은 함께 있을 수 없습니다. 가능한 값이 n−1가지뿐이니 비둘기집 원리⁠(pigeonhole principle)⁠에 따라 두 점이 같은 값을 가집니다. 지금은 .

변을 따라 오갈 수 있는 점끼리 같은 색으로 칠했습니다. '길로 이어져 있다'는 동치관계⁠(equivalence relation)⁠라서 꼭짓점들이 서로 겹치지 않는 연결 성분으로 나뉩니다. 지금은 개입니다. 그래프를 표로 적은 것이 인접 행렬⁠(matrix)⁠ AA입니다. i와 j가 이어져 있으면 (i, j) 성분이 1입니다. 를 눌러 보세요. 행렬을 거듭 곱한 AkA^k의 (i, j) 성분은 i에서 j로 가는 길이 k인 걸음의 개수입니다. 여기서 길이 k인 걸음이란 변을 따라 이웃으로 옮겨 가기를 k번 한 것으로, 같은 점이나 같은 변을 다시 지나도 됩니다. 예를 들어 A2A^2의 (i, i) 성분은 이웃으로 갔다가 곧바로 돌아오는 걸음의 개수, 곧 i의 차수와 같습니다.

꼭짓점 n개 사이에 변을 넣을 수 있는 자리는 (n2)\binom{n}{2}개(파스칼의 삼각형⁠, Pascal's triangle⁠)이고, 이름 붙은 n개 점 위의 그래프는 그 자리들의 부분집합⁠(subset)⁠마다 하나씩, 곧 멱집합⁠(power set)⁠의 크기인 2(n2)2^{\binom{n}{2}}가지입니다. 꼭짓점의 이름만 다르고 연결 모양이 같은 두 그래프는 같은 그래프로 보고, 동형⁠(isomorphism)⁠이라고 부릅니다. 정확히는 한 그래프의 꼭짓점을 다른 그래프의 꼭짓점으로 보내는 일대일대응 가운데 이어진 두 점을 늘 이어진 두 점으로, 떨어진 두 점을 늘 떨어진 두 점으로 보내는 것이 있을 때입니다. 예를 들어 A–B, B–C를 이은 그래프와 A–C, C–B를 이은 그래프는 둘 다 세 점이 한 줄로 늘어선 모양이라 동형입니다(A를 A로, B와 C를 서로 바꾸어 보내면 됩니다).

이어지는 곳. 변에 방향과 확률⁠(probability)⁠을 붙이면 마르코프 연쇄⁠(Markov chain)⁠의 상태 그림(점은 상태, 화살표 위의 수는 그 상태로 옮겨 갈 확률)이 되고, 그 위를 떠도는 산책자가 페이지랭크⁠(PageRank)⁠를 계산합니다. 변에 길이를 붙이면 최단 경로⁠(shortest path)⁠와 최소 신장 트리⁠(minimum spanning tree)⁠ 문제가, 지도의 나라를 점으로 바꾸면 4색 정리⁠(four color theorem)⁠가, 수십억 명의 친구 관계를 보면 좁은 세상⁠(small world)⁠ 현상이 나옵니다. 한 덩어리로 이어져 있으면서 순환(같은 변을 되짚지 않고 제자리로 돌아오는 고리)이 없는 그래프는 트리⁠(tree)⁠입니다. 두 무리 사이에만 변이 있는 그래프에서 짝을 짓는 문제는 홀의 정리⁠(Hall's theorem)⁠와 안정 매칭⁠(stable matching)⁠으로, 변에 용량⁠(capacity)⁠을 붙이면 최대 흐름⁠(maximum flow)⁠ 문제로 이어집니다. 모든 두 점을 이은 완전 그래프⁠(complete graph)⁠의 변을 두 색으로 어떻게 칠해도 한 색 삼각형이 생기려면 점이 몇 개 있어야 하는지(답은 6개)를 묻는 데서 램지 이론⁠(Ramsey theory)⁠이 시작합니다. 화살표가 있는 그래프에서 화살표를 이어 붙인 길들을 새 화살표로 보면, 길 잇기가 결합법칙⁠(associativity)⁠을 지키고 길이 0인 길이 항등원⁠(identity element)⁠ 구실을 하므로 범주(그 그래프가 만드는 자유 범주⁠(category)⁠)가 됩니다.

0과 1만으로 된 길이 n인 문자열(비트열)들을 꼭짓점으로 삼고, 딱 한 자리만 다른 것끼리 변으로 이으면 n차원 초입방체⁠(hypercube)⁠가 됩니다. n = 2이면 00, 01, 11, 10이 정사각형의 네 꼭짓점이 되고, n = 3이면 정육면체가 됩니다. 이 그래프에서 두 비트열 사이의 최단 거리는 한 자리씩 고쳐 가야 하는 횟수, 곧 서로 다른 자리의 개수이고, 이것이 해밍 거리⁠(Hamming distance)⁠입니다.

칸들이 한 줄로 늘어선 것도 그래프(칸마다 양옆 칸과 이어진 경로)입니다. 칸마다 흑이나 백의 색이 있고, 매 순간 모든 칸이 자기와 양옆 칸의 색만 보고 동시에 다음 색을 정하는 규칙을 세포 자동자⁠(cellular automaton)⁠라고 합니다. 이렇게 단순한 규칙 가운데 '규칙 110⁠(Rule 110)⁠'이라 불리는 것 하나가 (끝없이 긴 줄에 알맞은 처음 무늬를 깔아 두면) 튜링 기계⁠(Turing machine)⁠가 할 수 있는 모든 계산을 흉내 낼 수 있습니다. 미국의 수학자 매슈 쿡이 증명해 2004년에 발표했습니다. 이처럼 겉모습이 전혀 다른 계산 장치들이 결국 같은 범위의 계산을 한다는 관찰이 처치–튜링 논제⁠(Church–Turing thesis)⁠를 뒷받침합니다.

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이 개념이 나오는 긴 글

정수론과 암호 나머지로 지키는 비밀 한 번도 만난 적 없는 두 사람이 모두가 엿듣는 통신망에서 비밀 열쇠를 맞출 수 있을까? 답은 시계의 산수와 1640년 페르마의 정리에 있다. 비유클리드 기하 평행선의 반란 유클리드의 다섯 번째 공준은 2,000년 동안 증명되지 않았다. 증명을 포기한 사람들이 찾은 것은 새로운 우주였다. 그래프 이론 일곱 다리의 도시 쾨니히스베르크의 일곱 다리를 한 번씩만 건너 산책할 수 있을까? 오일러는 지도를 지우고 점과 선만 남겼다. 통계와 인과 담배와 폐암 상관관계는 인과관계가 아니라고들 한다. 그렇다면 담배가 폐암을 일으킨다는 것은 어떻게 알게 되었을까? 거리와 유사도 까마귀와 택시 까마귀는 곧장 날고 택시는 블록을 돌아간다. '얼마나 먼가'에는 답이 하나가 아니고, 어떤 거리를 고르느냐가 통계와 기계 학습의 답을 바꾼다. 계산 이론 기계가 풀 수 없는 문제 모든 수학 문제를 기계적으로 풀 수 있을까? 러셀의 역설에서 괴델과 튜링까지, 그 질문에 대한 답은 '아니오'였고, 그 증명이 컴퓨터를 낳았다. 계산언어학 말을 세는 기계 문법은 규칙일까, 확률일까? 파니니의 문법에서 촘스키의 위계, 섀넌의 영어 엔트로피, 오늘날의 언어 모델까지. 매칭과 흐름 짝을 찾는 알고리즘 의대 졸업생과 병원, 신장 기증자와 환자, 철도와 화물. 누구를 누구와 이을지 정하는 수학은 냉전의 철도 지도에서 노벨 경제학상까지 이어진다. 램지 이론 완전한 무질서는 없다 여섯 명이 모이면 서로 아는 세 사람이나 서로 모르는 세 사람이 반드시 있다. 충분히 크면 어디에나 질서가 숨어 있다는 이론과, 그것을 동전 던지기로 증명한 에르되시. 통신과 잡음 잡음 너머로 대서양 바닥의 케이블은 왜 신호를 뭉갰을까? 잡음이 있어도 오류 없이 보낼 수 있다는 섀넌의 정리와, 그 한계를 50년 동안 쫓은 부호들. 라플라시안 라플라시안, 가장 많이 재사용된 식 이웃의 평균에서 나를 뺀다. 이 한 줄이 열의 법칙이고, 도박꾼이 이길 확률이고, 전기 회로와 나무 세기이고, 북의 음색이고, 사진의 윤곽선이고, 그래프를 가르는 칼이고, 잡음에서 그림을 빚는 확산 모델의 밑그림이다. 게임과 증명 이기는 쪽이 존재한다 "이 판은 백이 이겼다"는 흑이 어떻게 두든 백에게 답이 있다는 말이다. 체스의 체르멜로 정리, ε–δ, 님의 이진법, 폰 노이만의 최소최대와 쌍대성, 논리의 한계를 재는 게임, 끝나지 않는 게임과 선택공리, 대화로 읽는 증명, 겨루며 배우는 신경망까지. 수학의 참을 두 사람의 게임으로 읽는다. 수학의 오류 틀린 증명이 만든 수학 틀린 증명은 흔하다. 드물게, "정확히 어디가 틀렸는가"라는 물음이 새 분야를 낳는다. 코시의 합 정리와 균등 수렴, 라메의 증명과 아이디얼, 켐프의 사슬, 푸앵카레의 회수된 논문과 혼돈, 프레게의 법칙과 러셀의 편지, 보예보츠키와 증명 보조기까지. 오류는 대개 서로 다른 두 가지를 하나로 여긴 자리에 있었다.

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