0
EN
1
المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

قم بتسجيل الدخول اولاً لكي يتسنى لك الاعجاب والتعليق.

Characteristic Polynomial

المؤلف:  Balasubramanian, K

المصدر:  "Computer-Generation of the Characteristic-Polynomials of Chemical Graphs." J. Comput. Chem. 5

الجزء والصفحة:  ...

21-4-2022

3713

+

-

20

Characteristic Polynomial

The characteristic polynomial is the polynomial left-hand side of the characteristic equation

 det(A-lambdaI)=0,

(1)

where A is a square matrix and I is the identity matrix of identical dimension. Samuelson's formula allows the characteristic polynomial to be computed recursively without divisions. The characteristic polynomial of a matrix m may be computed in the Wolfram Language as CharacteristicPolynomial[mx].

The characteristic polynomial of a 2×2 matrix

 P_2(x)=(a_(11)a_(22)-a_(12)a_(21))-x(a_(11)+a_(22))+x^2

(2)

can be rewritten in the particularly nice form

 P_2(x)=det(A)-xTr(A)+x^2,

(3)

where Tr(A) is the matrix trace of A and det(A) is its determinant.

Similarly, the characteristic polynomial of a 3×3 matrix is

 P_3(x)=det(A)+1/2(a_(ij)a_(ji)-a_(ii)a_(jj))x+Tr(A)x^2-x^3,

(4)

where Einstein summation has been used, which can also be written explicitly in terms of traces as

 P_3(x)=1/6[Tr^3(A)+2Tr(A^3)-3Tr(A)Tr(A^2)]-1/2[Tr^2(A)-Tr(A^2)]x+Tr(A)x^2-x^3,

(5)

In general, the characteristic polynomial has the form

f(lambda) = det(lambda1-A)

(6)

= lambda^n-a_1lambda^(n-1)+...+(-1)^na_n,

(7)

where a_1=suma_(ii) is the matrix trace Tr(A) of the matrix Aa_n=det(A), and a_i is the sum of the i-rowed diagonal minors of the matrix A (Jacobson 1974, p. 109).

Le Verrier's algorithm for computing the characteristic polynomial of a graph (Balasubramanian 1984; Trinajstić 1988; Ivanciuc and Balaban 2000, p. 89) can be formulated as the solution of the linear system

 [1 0 ... 0 0; a_1 2 ... 0 0; a_2 a_1 ... 0 0; | ... ... ... |; a_(n-1) a_(n-2) ... a_1 n][c_1; c_2; c_3; |; c_n]=[a_1; a_2; a_3; |; a_n],

(8)

where

 f(x)=sum_(k=0)^nc_kx^(n-k),

(9)

c_0=-1, and a_k=Tr(A^k).

An algorithm due to Balasubramanian computes c_k using the equation

 c_k=1/kTr(B_(k-1)),

(10)

where

 B_k=A(B_(k-1)-c_kI)

(11)

(Balasubramanian 1985, 1985, 1991; Ivanciuc and Balaban 2000, p. 90; typo corrected) with B_0=A and c_0=-1.

The characteristic polynomial of a graph g is defined as the characteristic polynomial of its adjacency matrix and can be computed in the Wolfram Language using CharacteristicPolynomial[AdjacencyMatrix[g], x]. The precomputed characteristic polynomial of a named graph in terms of a variable x can also be obtained using GraphData[graph"CharacteristicPolynomial"][x].

CharacteristicPolynomialGraphs

Characteristic polynomials are not diagnostic for graph isomorphism, i.e., two nonisomorphic graphs may share the same characteristic polynomial. The smallest such example occurs for the two graphs on five nodes illustrated above, both of which have characteristic polynomial 4x^3-x^5. The number of distinct characteristic polynomials for simple undirected graphs on n=1, 2, ... nodes are 1, 2, 4, 11, 33, 151, 988, 11453, ... (OEIS A082104), giving the number of duplicated characteristic polynomials as 0, 0, 0, 0, 1, 5, 56, 893, 27311, ....

The following table summarizes the characteristic polynomials for some simple graphs.

graph characteristic polynomial
complete graph K_2 (z-1)(z+1)
complete graph K_3 -(z-2)(z+1)^2
complete graph K_4 (z-3)(z+1)^3
cyclic graph C_3 -(z-2)(z+1)^2
cyclic graph C_4 (z-2)z^2(z+2)
cyclic graph C_5 -(z-2)(z^2+z-1)^2
cubical graph (z-3)(z-1)^3(z+1)^3(z+3)
octahedral graph (z-4)z^3(z+2)^2
tetrahedral graph (z-3)(z+1)^3
wheel graph W_5 -z^2(z+2)(z^2-2z-4)
wheel graph W_6 (z^2-2z-5)(z^2+z+1)^2

REFERENCES

Balasubramanian, K. "Computer-Generation of the Characteristic-Polynomials of Chemical Graphs." J. Comput. Chem. 5, 387-394, 1984.

Balasubramanian, K. "The Use of Frames Method for the Characteristic-Polynomials of Chemical Graphs." Theor. Chim. Acta 65, 49-58, 1984.

Balasubramanian, K. "Computer-Assisted Enumeration of Walks and Self-Returning Walks on Chemical Graphs." Comput. Chem. 9, 43-52, 1985.

Balasubramanian, K. "Comments on the Characteristic Polynomial of a Graph." J. Comput. Chem. 12, 248-253, 1991.

Devillers, J. and A. T. Balaban (Eds.). Topological Indices and Related Descriptors in QSAR and QSPR. Amsterdam, Netherlands: Gordon and Breach, pp. 83-92, 2000.

Golub, G. H. and Van Loan, C. F. Matrix Computations, 3rd ed. Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press, p. 310, 1996.

Hagos, E. M. "The Characteristic Polynomial of a Graph is Reconstructible from the Characteristic Polynomials of its Vertex-Deleted Subgraphs and Their Complements." Elec. J. Combin. 7, No. 1, R12, 1-9, 2000. http://www.combinatorics.org/Volume_7/Abstracts/v7i1r12.html.

Ivanciuc, P. "Chemical Graph Polynomials. Part 2. The Propagation Diagram Algorithm for the Computation of the Characteristic Polynomial of Molecular Graphs." Rev. Roumaine Chim. 37, 1341-134, 1992.

Ivanciuc, O. and Balaban, A. T. "The Graph Description of Chemical Structures." Ch. 3 in Topological Indices and Related Descriptors in QSAR and QSPR (Ed. J. Devillers and A. T. Balaban). Amsterdam, Netherlands: Gordon and Breach, pp. 59-167, 2000.

Jacobson, N. Basic Algebra I. San Francisco: W. H. Freeman, 1974.

Krivka, P.; Jeričević, Ž.; and Trinajstić, N. "On the Computation of Characteristic Polynomial of a Chemical Graph." Int. J. Quant. Chem.: Quant. Chem. Symp. 19, 129-147, 1986.

Sloane, N. J. A. Sequence A082104 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Trinajstić, N. "The Characteristic Polynomial of a Chemical Graph." J. Math. Chem. 2, 197-215, 1988.

Zivković, T. "On the Evaluation of the Characteristic Polynomial of a Chemical Graph." J. Comput. Chem. 11, 217-222, 1990.

اخر الاخبار

اشترك بقناتنا على التلجرام ليصلك كل ما هو جديد