This paper considers the interplay between semidefinite programming, matrix rank, and graph coloring. Karger, Motwani, and Sudan \cite{KMS98} give a vector program for which a coloring of the graph can be encoded as a semidefinite matrix of low rank. By complementary slackness conditions of semidefinite programming, if an optimal dual solution has sufficiently high rank, any optimal primal solution must have low rank. We attempt to characterize graphs for which we can show that the corresponding dual optimal solution must have sufficiently high rank. In the case of the original Karger, Motwani, and Sudan vector program, we show that any graph which is a $k$-tree has sufficiently high dual rank, and we can extract the coloring from the corresponding low-rank primal solution. We can also show that if the graph is not uniquely colorable, then no sufficiently high rank dual optimal solution can exist. This allows us to completely characterize the planar graphs for which dual optimal solutions have sufficiently high dual rank. We then modify the semidefinite program to have an objective function with costs, and explore when we can create a cost function whose optimal dual solution has sufficiently high rank. We show that it is always possible to construct such a cost function given the graph coloring. The construction of the cost function gives rise to a heuristic for graph coloring which we show works well in the case of planar graphs. Our research was motivated by the Colin de Verdi\`ere graph invariant \cite{CDV90}(and a corresponding conjecture of Colin de Verdi\`ere), in which matrices that have some similarities to the dual feasible matrices must have high rank in the case that graphs are of a certain type. We explore the connection between the conjecture and the rank of the dual solutions.


翻译:本文思考了半确定性编程、 矩阵级别、 图形颜色之间的相互作用。 Karger、 Motwani 和苏丹的 Karger、 Motwani 和苏丹的 kMS98} 给出了一个矢量程序, 该矢量程序可以将图形的颜色编码成一个低级别半确定性矩阵。 通过半确定性编程的补充松懈条件, 如果最佳的双重解决方案具有足够高的级别, 任何最佳的初等解决方案都必须具有低级别。 我们试图对图表进行描述, 以显示相应的双最佳解决方案必须具有足够高的等级。 在最初的 Karger、 Motwani 和苏丹的矢量程序中, 我们显示任何以美元为单位的图表颜色颜色颜色颜色的颜色都具有相当高的双向值, 我们也可以通过创建一个具有一定成本的双向曲线的图解算法, 我们的双向纸色图的颜色的计算功能必须具有一定的比值。 我们的双向纸质的计算结果显示一个成本, 我们的颜色的计算函数必须显示一个比高的双向。

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