Étude de la conjecture de Seymour sur le second voisinage

par Salman Ghazal

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Jean-Michel Brochet et de Amine El Sahili.

Soutenue le 15-12-2011

à Lyon 1 en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de École Doctorale d'Informatique et Mathématiques (Lyon) , en partenariat avec ICJ - Institut Camille Jordan (Villeurbanne, Rhône) (équipe de recherche) et de Institut Camille Jordan (laboratoire) .

Le président du jury était Hamamache Kheddouci.

Le jury était composé de Issam Abdel Kader, Bassam Mrad, Mekkia Kouider, Kamal Khuri-Makdisi.

Les rapporteurs étaient Youssef Boudabbous, Frédéric Havet.


  • Résumé

    Soit D un digraphe simple (sans cycle orienté de longueur 2 ). En 1990, P. Seymour a conjecturé que D a un sommet v avec un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son (premier) voisinage extérieur [1]. Cette conjecture est connue sous le nom de la conjecture du second voisinage du Seymour (SNC). Cette conjecture, si elle est vraie, impliquerait, un cas spécial plus faible (mais important) de la conjecture de Caccetta et Häggkvist [2] proposé en 1978 : tout digraphe D avec un degré extérieur minimum au moins égale à jV (D)j=k a un cycle orienté de longueur au plus k. Le cas particulier est k = 3, et le cas faible exige les deux : le degré extérieur minimum et le degré intérieur minimum de D sont au moins égaux à jV (D)j=k. La conjecture de Seymour restreinte au tournoi est connue sous le nom de conjecture de Dean [1]. En 1996, Fisher [3] a prouvé la conjecture de Dean en utilisant un argument de probabilité. En 2003, Chen, Shen et Yuster [4] ont démontré que tout digraphe a un sommet v tel que d+(v) _ d++(v) où =0.657298..... est l'unique racine de l'équation 2x3 + x2 - 1 = 0. En 2000, Havet et Thomassé [5] ont donné une preuve combinatoire de la conjecture de Dean, en utilisant un outil appelé l'ordre médian. Ils ont démontré que le dernier sommet d'un tel ordre a toujours un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son voisinage extérieur. En 2007, Fidler et Yuster [6] ont utilisé l'ordre médian et un autre outil qui s'appelle le digraphe de dépendance afin de prouver la conjecture de Seymour pour tout digraphe D ayant un degré minimum jV (D)j 2. Ils l'ont montré pour tout tournoi où manque un autre sous-tournoi. El Sahili a conjecturé que pour tout D, il existe un completion T de D et un ordre médian de T tel que le denier sommet a un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son voisinage extérieur (EC). Il est clair que, EC implique SNC. Cependant, EC propose une méthode afin de résoudre la SNC. En général, on oriente les non arcs de D de manière appropriée, afin d'obtenir un tournoi T et on essaie de trouver un sommet particulier (le denier sommet d'un ordre médian) avec la propriété désirée. Clairement, grâce aux résultats de [5] et [6], la EC est valable pour tournoi, et tout tournoi où manque un autre sous-tournoi. Nous allons vérifier EC pour tout digraphe D ayant un degré minimum jV (D)j 2. Alors, EC est vraie pour tout digraphe où la SNC est déjà connue d'être vraie non trivialement. Nous sommes aussi intéressés à la version pondérée de SNC et EC. En réalité, Fidler et Yuster [6] ont utilisé les digraphes de dépendance comme un outil supplémentaire et le fait que la SNC pondérée est vraie pour les tournois afin de prouver la SNC pour tout digraphe D ayant un degré minimum1 jV (D)j 2. Nous allons définir le digraphe de dépendance de façon plus générale et qui convient à n'importe quel digraphe. Nous allons utiliser le digraphe de dépendance et l'ordre médian comme des outils dans nos contributions à cette conjecture. Suivant la méthode proposée par la EC, nous démontrons la version pondérée de EC, et par conséquent la SNC, pour les classes des digraphes suivants : Digraphes où manque une étoile généralisée, soleil, étoile, ou un graphe complété. En outre, nous prouvons la EC, et par conséquent la SNC, pour digraphes où manque un peigne et digraphe où manque un graphe complet moins 2 arêtes indépendantes ou moins les arêtes d'une cycle de longueur 5. Par ailleurs, nous prouvons la EC, et par conséquent la SNC, pour les digraphes où manque n étoiles disjointes, sous certaines conditions sur les deux degrés minimum du digraphe de dépendance. Des conditions plus faible sont exigées dans le cas n = 1; 2; 3. Dans certains cas, on trouve au moins deux sommets avec la propriété désirée.

  • Titre traduit

    A study of Seymour's second neighborhood conjecture


  • Résumé

    Let D be a digraph without digons (directed cycles of length 2). In 1990, Seymour [1] conjectured that D has a vertex whose first out-neighborhood is at most as large as its second out-neighborhood. Such a vertex is said to have the second neighborhood property (SNP). This conjecture is known as the second neighborhood conjecture (SNC). This conjecture, if true, would imply a weakening of a particular case (but important) of a long standing conjecture proposed by Caccetta and H aggkvist in 1978, which states that every digraph D with minimum out-degree at least jV (D)j=k has a directed cycle of length at most k. The special case is when k = 3 and the weakening requires both minimum out-degree and minimum in-degree at least jV (D)j=k [2]. Seymour's conjecture restricted to tournaments is known as Dean's conjecture [1]. In 1996, Fisher [3] gave a probabilistic proof to Dean's conjecture. In 2003 Chen, Shen and Yuster [4] proved that every digraph contains a vertex v such that d+(v) _ d++(v), where = 0:657298::: is the unique real root of the equation 2x3 + x2 1 = 0. In 2000, another proof of Dean's conjecture was given by Havet and Thomassé using a tool called median order [5]. They proved that the last vertex of this order, called a feed vertex, has second out-neighborhood at least as large as its first out-neighborhood. Median order is found to be a useful tool not only for the class of tournaments but for other classes of digraphs. In 2007, Fidler and Yuster [6] used also median orders to prove Seymour's conjecture for the class of digraphs with minimum degree jV (D)j 2 (i.e. D is a digraph missing a matching) and tournaments minus another subtournament. El Sahili conjectured that for every digraph D there is a completion T of D and a median order of T whose feed vertex has the SNP in D. Clearly, El Sahili's conjecture (EC) implies SNC. However, as one can observe, EC suggests a method (an approach) for solving the SNC, which we will call the completion approach. In general, following this approach, we orient the missing edges of D in some 'proper' way, to obtain a tournament T. Then we consider a particular feed vertex (clearly, it has the SNP in T) and try to prove that it has the SNP in D as well. Clearly, the result of Havet and Thomassé shows that EC is true for tournaments and the result of Fidler and Yuster [6] shows that EC holds for tournaments minus another subtournament. We will verify EC for the class 1 of tournaments missing a matching. So EC is verified for all the classes of digraphs where the SNC is known to hold non trivially. We will be interested also in the weighted version of EC and SNC. In reality, Fidler and Yuster [6] used dependency digraphs as a supplementary tool for proving the SNC for digraphs missing a matching and the fact that the weighted SNC holds for tournaments. We define dependency digraphs in a more general way, which is suitable to any digraph, and use them in our contribution to Seymour's conjecture. We also use the median order as a tool in our contribution. Using these two tools, and following the completion approach, we prove the weighted version of EC, and consequently the SNC, for several classes of digraphs: Digraphs missing a generalized star, sun, star or a complete graph. In addition, we prove EC, and consequently the SNC for digraphs missing a comb, and digraphs whose missing graph is a complete graph minus two independent edges or the edges of a cycle of length five. Moreover, we prove it for digraphs missing n disjoint stars under some conditions. Weaker conditions are required for n = 1; 2; 3. In some cases, we exhibit at least two vertices with the SNP.


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