Coloration de graphes épars

Colouring sparse graphs

• Auteur / Autrice : Francois Pirot
• Direction : Miguel Couceiro, Jean-Sébastien Sereni, Eric Alexander Cator, Ross Kang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/09/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Radboud universiteit Nijmegen (Nijmegen, Nederland)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Jeandel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miguel Couceiro, Jean-Sébastien Sereni, Eric Alexander Cator, Ross Kang, Patrice Ossona de Mendez, Oleg Pikhurko, Tom Heskes
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrice Ossona de Mendez, Oleg Pikhurko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problèmes extrémaux (mathématiques)

Probabilités combinatoires

Coloriage de graphes

Mots clés libres

Coloration de graphes

Méthode probabiliste

Combinatoire extrémale

Graph colouring

Probabilistic method

Extremal combinatorics

Résumé

Cette thèse a pour thème la coloration de diverses classes de graphes épars. Shearer montra en 1983 [She83] que le ratio d'indépendance des graphes sans triangle de degré maximal d est au moins (1-o(1))ln d/d, et 13 ans plus tard Johansson [Joh96] démontra que le nombre chromatique de ces graphes est au plus O(d/ln d) quand d tend vers l'infini. Ce dernier résultat fut récemment amélioré par Molloy [Mol19], qui montra que la borne (1+o(1))d/ln d est valide quand d tend vers l'infini.Tandis que le résultat de Molloy s'exprime à l'aide d'un paramètre global, le degré maximal du graphe, nous montrons qu'il est possible de l'étendre à la coloration locale. Il s'agit de la coloration par liste, où la taille de la liste associée à chaque sommet ne dépend que de son degré. Avec une méthode différente se basant sur les propriétés de la distribution hard-core sur les ensembles indépendants d'un graphe, nous obtenons un résultat similaire pour la coloration fractionnaire locale, avec des hypothèses plus faibles. Nous démontrons également un résultat concernant la coloration fractionnaire locale des graphes où chaque sommet est contenu dans un nombre borné de triangles, et une borne principalement optimale sur le taux d'occupation — la taille moyenne des ensembles indépendants — de ces graphes. Nous considérons également les graphes de maille 7, et prouvons des résultats similaires qui améliorent les bornes précédemment connues quand le degré maximal du graphe est au plus 10^7. Finalement, pour les graphes d-réguliers où d vaut 3, 4, ou 5, de maille g variant entre 6 et 12, nous démontrons de nouvelles bornes inférieures sur le ratio d'indépendance.Le Chapitre 2 est dédié à la coloration à distance t d'un graphe, qui généralise la notion de coloration forte des arêtes. Nous cherchons à étendre le théorème de Johansson à la coloration à distance t, par l'exclusion de certains cycles. Le résultat de Johansson s'obtient par exclusion des triangles, ou des cycles de taille k pour n'importe quelle valeur de k. Nous montrons que l'exclusion des cycles de taille 2k, pour n'importe quel k>t, a un effet similaire sur le nombre chromatique à distance t, et sur l'indice chromatique à distance t+1. En outre, quand t est impair, une conclusion similaire peut se faire pour le nombre chromatique à distance t par l'exclusion des cycles de d'une taille impaire fixée valant au moins 3t. Nous étudions l'optimalité de ces résultats à l'aide de constructions de nature combinatoire, algébrique, et probabiliste.Dans le Chapitre 3, nous nous intéressons à la densité bipartie induite des graphes sans triangle, un paramètre relaxant celui de la coloration fractionnaire. Motivés par une conjecture de Esperet, Kang, et Thomassé [EKT19], qui prétend que la densité bipartie induite de graphes sans triangle de degré moyen d est au moins de l'ordre de ln d, nous démontrons cette conjecture quand d est suffisamment grand en termes du nombre de sommets n, à savoir d est au moins de l'ordre de (n ln n)^(1/2). Ce résultat ne pourrait être amélioré que par une valeur de l'ordre de ln n, ce que nous montrons à l'aide d'une construction reposant sur le processus sans triangle. Nos travaux se ramènent à un problème intéressant, celui de déterminer le nombre chromatique fractionnaire maximal d'un graphe épars à n sommets. Nous prouvons des bornes supérieures non triviales pour les graphes sans triangle, et pour les graphes dont chaque sommet appartient à un nombre borné de triangles.Cette thèse est reliée aux nombres de Ramsey. À ce jour, le meilleur encadrement connu sur R(3,t) nous est donné par le résultat de Shearer, et par une analyse récente du processus sans triangle [BoKe13+,FGM13+], ce qui donne(1-o(1)) t²/(4 ln t) < R(3,t) < (1+o(1)) t²/ln t. (1)Beaucoup de nos résultats ne pourraient être améliorés à moins d'améliorer par la même occasion (1), ce qui constituerait une révolution dans la théorie de Ramsey quantitative.

This thesis focuses on generalisations of the colouring problem in various classes of sparse graphs.Triangle-free graphs of maximum degree d are known to have independence ratio at least (1-o(1))ln d/d by a result of Shearer [She83], and chromatic number at most O(d/ln d) by a result of Johansson [Joh96], as d grows to infinity. This was recently improved by Molloy, who showed that the chromatic number of triangle-free graphs of maximum degree d is at most (1+o(1))d/ln d as d grows to infinity.While Molloy's result is expressed with a global parameter, the maximum degree of the graph, we first show that it is possible to extend it to local colourings. Those are list colourings where the size of the list associated to a given vertex depends only on the degree of that vertex. With a different method relying on the properties of the hard-core distribution on the independent sets of a graph, we obtain a similar result for local fractional colourings, with weaker assumptions. We also provide an analogous result concerning local fractional colourings of graphs where each vertex is contained in a bounded number of triangles, and a sharp bound for the occupancy fraction — the average size of an independent set — of those graphs. In another direction, we also consider graphs of girth 7, and prove related results which improve on the previously known bounds when the maximum degree does not exceed 10^7. Finally, for d-regular graphs with d in the set {3,4,5}, of girth g varying between 6 and 12, we provide new lower bounds on the independence ratio.The second chapter is dedicated to distance colourings of graphs, a generalisation of strong edge-colourings. Extending the theme of the first chapter, we investigate minimal sparsity conditions in order to obtain Johansson-like results for distance colourings. While Johansson's result follows from the exclusion of triangles — or actually of cycles of any fixed length — we show that excluding cycles of length 2k, provided that k>t, has a similar effect for the distance-t chromatic number and the distance-(t+1) chromatic index. When t is odd, the same holds for the distance-t chromatic number by excluding cycles of fixed odd length at least 3t. We investigate the asymptotic sharpness of our results with constructions of combinatorial, algebraic, and probabilistic natures.In the third chapter, we are interested in the bipartite induced density of triangle-free graphs, a parameter which conceptually lies between the independence ratio and the fractional chromatic number. Motivated by a conjecture of Esperet, Kang, and Thomassé [EKT19], which states that the bipartite induced density of a triangle-free graph of average degree d should be at least of the order of ln d, we prove that the conjecture holds for when d is large enough in terms of the number of vertices n, namely d is at least of the order of (n ln n)^(1/2). Our result is shown to be sharp up to term of the order of ln n, with a construction relying on the triangle-free process. Our work on the bipartite induced density raises an interesting related problem, which aims at determining the maximum possible fractional chromatic number of sparse graph where the only known parameter is the number of vertices. We prove non trivial upper bounds for triangle-free graphs, and graphs where each vertex belongs to a bounded number of triangles.All the content of this thesis is a collection of specialisations of the off-diagonal Ramsey theory. To this date, the best-known bounds on the off-diagonal Ramsey number R(3,t) come from the aforementioned result of Shearer for the upper-bound, and a recent analysis of the triangle-free process [BoKe13+,FGM13+] for the lower bound, giving(1-o(1)) t²/(4 ln t) < R(3,t) < (1+o(1)) t²/ln t. (1)Many of our results are best possible barring an improvement of (1), which would be a breakthrough in off-diagonal Ramsey theory.