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Distance-regular graph 距離正則グラフ入門 Osaka Kyoiku Unversity Akira HIRAKI 大阪教育大学 平木 彰 June 16, 2014

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Distance-regular graph距離正則グラフ入門

Osaka Kyoiku Unversity Akira HIRAKI

大阪教育大学 平木 彰

June 16, 2014

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• Graph

V : a set vertex set

E : a collection of 2-elements subsets of V edge set

Γ = (V,E) (simple) graph

Ex. 1

V = { 1, 2, 3, 4 }

E ={{1, 2}, {2, 3}, {3, 4}, {1, 4}

}• •

• •1 2

4 3

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• Graph

Ex. 2 V = (Z2)3

E ={{a, b} | #{i | ai ̸= bi} = 1

}

��

��

����

��

��

����

000 100

010

001

110

101

011 111

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• Graph

Γ = (V,E) : graph x, y ∈ V

path of length t from x to y : (x = x0, x1, . . . , xt = y)

{xi−1, xi} ∈ E (i = 1, . . . , t)

����

����

����

����

x

y

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• Graph

∂Γ(x, y) : distance : length of shortest path from x to y

Ex.

∂Γ(x, y) = 2

∂Γ(y, z) = 1

∂Γ(x, z) = 3

����

����

����

����

x

y

z

d := max{∂Γ(x, y) | x, y ∈ V } : diameter of Γ

d = 3

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• Graph

Ex.

Γj(x) = { v ∈ V | ∂Γ(x, v) = j }

����

����

����

����

x •

j

j

j

jj

j

j

jΓ0(x) Γ1(x) Γ2(x) Γ3(x)

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• D.R.G

Γ : distance-regular ⇔ cj := |Γj−1(x) ∩ Γ1(y)|

aj := |Γj(x) ∩ Γ1(y)|

bj := |Γj+1(x) ∩ Γ1(y)|

are constants whenever ∂Γ(x, y) = j

x

1 j − 1 j j + 1'

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• D.R.G

Ex. Cube Γ0(x) Γ1(x) Γ2(x) Γ3(x)

,,

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ll

lll

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• D.R.G

Ex. Octahedron Γ0(x) Γ1(x) Γ2(x)

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EEEEEE

EEEEEE

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• • •

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• D.R.G

Ex. Dodecahedron

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• • • • • •

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• Association Scheme

X : a set

R0 ∪ R1 ∪ · · · ∪ Rd : a partition of X × X

R0 = {(x, x) | x ∈ X}

(x, y) ∈ Ri ⇔ (y, x) ∈ Ri

phi,j := |{z ∈ X | (x, z) ∈ Ri, (z, y) ∈ Rj}|

are constants whenever (x, y) ∈ Rh (∀i, j, h)

(X, {Ri}0≤i≤d

): (Symmetric) Association Scheme

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• Association Scheme

X = V : vertex set of D.R.G. Γ = (V,E) of diameter d

Ri = {(x, y) | ∂Γ(x, y) = i}

R0 = {(x, x) | x ∈ X}

(x, y) ∈ Ri ⇔ (y, x) ∈ Ri

phi,j := |{z ∈ X | (x, z) ∈ Ri, (z, y) ∈ Rj}|

are constants whenever (x, y) ∈ Rh (∀i, j, h)

(X, {Ri}0≤i≤d

): (Symmetric) Association Scheme

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• Association Scheme

X = V : vertex set of D.R.G. Γ = (V,E) of diameter d

Ri = {(x, y) | ∂Γ(x, y) = i}

phi,j

•x

•yh

��

���i

ZZ

ZZ

ZZ

j

}

(X, {Ri}0≤i≤d

): (Symmetric) Association Scheme

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• Association Scheme

Γ = (X,E) : D.R.G. of diameter d

▽▽

(X, {Ri}0≤i≤d

): (Symmetric) Association Scheme

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• Association Scheme

Γ = (X,E) : D.R.G. of diameter d

▽▽

(X, {Ri}0≤i≤d

): “P -polynomial” Association Scheme

△△

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• Distance-Transitive

Γ = (V,E) : graph

σ : automorphism of Γ ⇔ σ : bijection on V such that

(σ(x), σ(y)) ∈ E if (x, y) ∈ E

Aut(Γ) : automorphism group of Γ

Γ : distance-transitive ⇔ ∀x, y, z, w ∈ V with

∂Γ(x, y) = ∂Γ(z, w)

∃σ ∈ Aut(Γ) such that

σ(x) = z, σ(y) = w

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• D.T ⇒ D.R

Γ : distance-regular ⇔ cj := |Γj−1(x) ∩ Γ1(y)|

aj := |Γj(x) ∩ Γ1(y)|

bj := |Γj+1(x) ∩ Γ1(y)|

are constants whenever ∂Γ(x, y) = j

x

1 j − 1 j j + 1'

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• D.T ⇒ D.R'

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• D.T ⇒ D.R

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6

6

bijection

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• Hamming graph

V = (Zn)d

E ={{a, b} | #{i | ai ̸= bi} = 1

}Hamming graph H(d, n)

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• Hamming graph

V = (Z2)3

E ={{a, b} | #{i | ai ̸= bi} = 1

}Hamming graph H(3, 2)

����

����

����

����

j

j

j

jj

j

j

j

000 100

010

001

110

101

011 111

∗ 1 2 30 0 0 03 2 1 ∗

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• Hamming graph

Hamming graph H(3, 3)

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jh jh jh jh ∗ 1 2 30 1 2 36 4 2 ∗

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• Hamming graph

V = (Zn)d

E ={{a, b} | #{i | ai ̸= bi} = 1

}

∂Γ(x, y) = #{i | ai ̸= bi}

Hamming graph H(d, n)

Hamming distance

d : diameter

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• Hamming graph

Γ0(0) Γ1(0) Γj−1(0) Γj(0) Γj+1(0)

(00 . . . 0)

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(0b . . . 0)

(00 . . . c)

b0 = d(n − 1)

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• Hamming graph

Γ0(0) Γ1(0) Γj−1(0) Γj(0) Γj+1(0)

(00 . . . 0)

'

&

$

%

'

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(1...10...0)(01..10...0)

(1..100...0)

cj = j

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• Hamming graph

Γ0(0) Γ1(0) Γj−1(0) Γj(0) Γj+1(0)

(00 . . . 0)

'

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$

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(a1..10...0)

(1..1c0...0)

aj = j(n − 2)

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• Hamming graph

Γ0(0) Γ1(0) Γj−1(0) Γj(0) Γj+1(0)

(00 . . . 0)

'

&

$

%

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%

(1...10...0) (1...1a0..0)

(1...10..0c)

bj = (d − j)(n − 1)

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• Hamming graph

Γ0(0) Γ1(0) Γj−1(0) Γj(0) Γj+1(0)

(00 . . . 0)

'

&

$

%

'

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%

(xy...z0...0)

cj = j aj = j(n − 2) bj = (d − j)(n − 1)

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• Hamming graph

V = (Zn)d

E ={{a, b} | #{i | ai ̸= bi} = 1

}

∂Γ(x, y) = #{i | ai ̸= bi}

Hamming graph H(d, n)

Hamming distance

d : diameter

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• Hamming graph

V = (Zn)d

Wt(x) = #{i | xi ̸= 0}

∂Γ(x, y) = #{i | xi ̸= yi}

Hamming graph H(d, n)

Hamming weight

Hamming distance

= #{i | xi − yi ̸= 0} = Wt(x − y)

∂Γ(x − z, y − z) = Wt((x − z) − (y − z)

)= Wt

(x − y

)= ∂Γ(x, y)

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• D.T ⇒ D.R'

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• D.T ⇒ D.R

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?

?

bijection

0 •

x •y

z•

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• Eigenvalues

Γ = (V,E) : graph

A : |V | × |V |-matrix with Axy =

{1 if (x, y) ∈ E

0 if (x, y) ̸∈ Eadjacency matrix

Ex.

����

����

����

����

1 2

34

5 6

78

A =

0 1 0 1 1 0 0 01 0 1 0 0 1 0 00 1 0 1 0 0 1 01 0 1 0 0 0 0 11 0 0 0 0 1 0 10 1 0 0 1 0 1 00 0 1 0 0 1 0 10 0 0 1 1 0 1 0

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• Eigenvalues

Γ = (V,E) : graph

A : |V | × |V |-matrix with Axy =

{1 if (x, y) ∈ E

0 if (x, y) ̸∈ Eadjacency matrix

Eigenvalues of Γ is eigenvalues of its adjacency matrix A

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• Eigenvalues

Eigenvalues of Γ is eigenvalues of its adjacency matrix A

Ex. Γ : H(d, n) Hamming graph

V = (Zn)d |V | = nd

|H(3, 2)| = 23 = 8

|H(3, 3)| = 33 = 27

|H(5, 5)| = 55 = 3125

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• Eigenvalues

Γ : distance-regular graph of diameter d with ci, ai, bi

B =

a0 b0c1 a1 b1

c2 a2 b2

. . . . . . . . .

cd−1 ad−1 bd−1

cd ad

0

0

intersection matrix

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• Eigenvalues

Hamming graph H(3, 2)

����

����

����

����

j

j

j

jj

j

j

j ∗ 1 2 3

0 0 0 03 2 1 ∗

B =

0 3 0 01 0 2 00 2 0 10 0 3 0

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• Eigenvalues

Hamming graph H(3, 3)

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jl

jl

jl

jh jh jh jh ∗ 1 2 30 1 2 36 4 2 ∗

B =

0 6 0 01 1 4 00 2 2 20 0 3 3

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• Eigenvalues

B =

0 3 0 01 0 2 00 2 0 10 0 3 0

B =

0 6 0 01 1 4 00 2 2 20 0 3 3

Eigenvalues

3, 1, −1, −3

6, 3, 0, −3

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• Subgraph

Γ = (V,E) graph

∅ ̸= V ′ ⊂ V

E′ := {(x, y) ∈ E | x, y ∈ V ′}

Γ′ = (V ′, E′) induced subgraph on V ′

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• Subgraph

Γ = (V,E) Hamming graph H(3, 3)

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��

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• Subgraph

Γ = (V,E) Hamming graph H(3, 3)

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jl jl jl

Page 43: Distance-regular graph µ÷Î¥ÀµÂ§¥°¥é¥ÕÆþÌçcombin/ac2014/docs/hiraki.pdfDistance-regular graph 距離正則グラフ入門 Osaka Kyoiku Unversity Akira HIRAKI 大阪教育大学平木彰

• Subgraph

Γ = (V,E) Hamming graph H(3, 3)

Γ′ = (V ′, E′) Hamming graph H(2, 3)

jl jl jl

jl jl jl

jl jl jl

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• Subgraph

Γ = (V,E) Hamming graph H(3, 3)

Γ′ = (V ′, E′) Hamming graph H(2, 3)

Γ′′ = (V ′′, E′′) Hamming graph H(2, 2)

jl jl

jl jl

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• Subgraph

V = (Zn)d

E ={{a, b} | #{i | ai ̸= bi} = 1

}Hamming graph H(d, n)

∀t ≤ d

∀m ≤ nM = {0, 1, . . . ,m − 1} ⊂ Zn

V ′ = {x ∈ (Zn)d | x1, . . . , xt ∈ M,xt+1 = · · · = xd = 0}

x = (x1, . . . , xt, 0, . . . , 0)

y = (y1, . . . , yt, 0, . . . , 0)

V ∗ = (M)t Hamming graph H(t,m)

E∗ ={{x, y} | #{i | xi ̸= yi} = 1

}

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• Subgraph

Γ = (V,E) graph ∅ ̸= W ⊂ V

∂Γ(W,x) = ∂Γ(x,W ) := min{∂Γ(x,w) | w ∈ W

}ρ(W ) = max

{∂Γ(x,W ) | x ∈ V

}covering radius of W

Γj(W ) ={x ∈ V | ∂Γ(W,x) = j

}

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• Completely Regular

W : completely regular ⇔ γj := |Γj−1(W ) ∩ Γ1(x)|

αj := |Γj(W ) ∩ Γ1(x)|

βj := |Γj+1(W ) ∩ Γ1(x)|

are constants whenever ∂Γ(W,x) = j

W

0 j − 1 j j + 1'

&

$

%

'

&

$

%

'

&

$

%

'

&

$

%

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PPPPPP"!#

PPPPPP

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AAAA

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x

•γj

αj

βj

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• Completely Regular

Hamming graph H(3, 3)

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jh jh ∗ 14 52 ∗

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• Completely Regular

Hamming graph H(3, 3)

�����

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��

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jl

jl

jl

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jl

jl

jl

jh jh jh ∗ 1 22 3 44 2 ∗

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• Not Completely Regular

Hamming graph H(3, 3)

�����

�����

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��

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��

jl jl

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jhehjlm321

402

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• Completely Regular

W : completely regular ⇔ γj := |Γj−1(W ) ∩ Γ1(x)|

αj := |Γj(W ) ∩ Γ1(x)|

βj := |Γj+1(W ) ∩ Γ1(x)|

are constants whenever ∂Γ(W,x) = j

W

0 j − 1 j j + 1'

&

$

%

'

&

$

%

'

&

$

%

'

&

$

%

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����

AAAA

"!#

x

•γj

αj

βj

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• Eigenvalues

W : completely regular of ρ = ρ(W ) with γj, αj, βj in Γ

Q =

α0 β0

γ1 α1 β1

γ2 α2 β2

. . . . . . . . .

γρ−1 αρ−1 βρ−1

γρ αρ

0

0

quotient matrix with respect to W

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• Theorem 1

Theorem 1W : completely regular subset in a D.R.G. Γ ( ρ = ρ(W ) )

Q : quotient matrix with respect to W

Then each eigenvalue of Q is an eigenvalue of Γ

Proof. S : |V | × (ρ + 1)-matrix characteristic matrix of W

with Sx,j =

{1 if x ∈ Γj(W )

0 if x ̸∈ Γj(W )

Then AS = SQ θ : eigenvalue of Q

⇒ 0 ̸= ∃u s.t. Qu = θu

⇒ 0 ̸= ∃Su s.t. A(Su) = (SQ)u = S(θu) = θ(Su)

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• Theorem 1

AS = SQ

(AS)x,j =∑y∈V

Ax,ySy,j

= |{y ∈ V | (x, y) ∈ E, y ∈ Γj(W )}|

Ax,y = 1 ⇔ (x, y) ∈ E

Sy,j = 1 ⇔ y ∈ Γj(W )

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• Theorem 1

AS = SQ

W

j − 1 j j + 1'

&

$

%

'

&

$

%

'

&

$

%

'

&

$

%b

bb"

""����

"""

bbb����

���

AAA

����•

• •βj−1

αj

γj+1

= |{y ∈ V | (x, y) ∈ E, y ∈ Γj(W )}|

(AS)x,j =

βj−1 if x ∈ Γj−1(W )αj if x ∈ Γj(W )γj+1 if x ∈ Γj+1(W )0 if otherwise

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• Theorem 1

(AS)x,j =

βj−1 if x ∈ Γj−1(W )αj if x ∈ Γj(W )γj+1 if x ∈ Γj+1(W )0 if otherwise

AS = SQ

(SQ)x,j =d∑

i=0

Sx,iQi,j

Sx,t = 1 ⇔ x ∈ Γt(W )

= Qt,jQ =

α0 β0γ1 α1 β1

γ2 α2 β2

. . .. . .

. . .

γρ−1 αρ−1 βρ−1γρ αρ

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• Eigenvalues

W : completely regular of ρ = ρ(W ) with γj, αj, βj in Γ

Q =

α0 β0

γ1 α1 β1

γ2 α2 β2

. . . . . . . . .

γρ−1 αρ−1 βρ−1

γρ αρ

0

0

quotient matrix with respect to W

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• Eigenvalues

Γ : distance-regular graph of diameter d with ci, ai, bi

B =

a0 b0c1 a1 b1

c2 a2 b2

. . . . . . . . .

cd−1 ad−1 bd−1

cd ad

0

0

intersection matrix of Γ

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• Eigenvalues

W = {x} : C. R. of ρ = d with ci, ai, bi in Γ

B =

a0 b0c1 a1 b1

c2 a2 b2

. . . . . . . . .

cd−1 ad−1 bd−1

cd ad

0

0

intersection matrix of Γ

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• Facts

• T : tri-diagonal matrix with ci > 0, bi > 0 (∀i)

Then d + 1 eigenvalues of T are distinct.

T =

a0 b0c1 a1 b1

c2 a2 b2

. . . . . . . . .

cd−1 ad−1 bd−1

cd ad

0

0

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• Facts

• T : tri-diagonal matrix with ci > 0, bi > 0 (∀i)

Then d + 1 eigenvalues of T are distinct.

• Γ : D.R.G. of diameter d

Then Γ has exactly d + 1 eigenvalues

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• Theorem 1

Theorem 1W : completely regular subset in a D.R.G. Γ

Q : quotient matrix with respect to W

Then each eigenvalue of Q is an eigenvalue of Γ

Corollary 2B : intersection matrix of D.R.G. Γ of diameter d

θ0, θ1, . . . , θd : eigenvalues of B

Then { θ0, θ1, . . . , θd } are the set of all distinct eigenvalues of Γ

In particular, the multiplicity m(θ) of θ as an eigenvalue of Γ

can be calculated by B

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• Eigenvalues of H(3,2)

Hamming graph H(3, 2)

����

����

����

����

j

j

j

jj

j

j

j ∗ 1 2 3

0 0 0 03 2 1 ∗

B =

0 3 0 01 0 2 00 2 0 10 0 3 0

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• Eigenvalues of H(3,2)

0 3 0 01 0 2 00 2 0 10 0 3 0

x0

x1

x2

x3

= θ

x0

x1

x2

x3

3x1 = θx0

1x0 + 2x2 = θx1

2x1 + 1x3 = θx2

3x2 = θx3

x0 ̸= 0

WLOG x0 = 1

x1 = 13θ

x2 = 16(θ2 − 3)

x3 = 16(θ3 − 7θ)

(θ2 − 9)(θ2 − 1) = 0

θ = 3, 1, −1, −3

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• Eigenvalues

0 b0 0 0c1 a1 b1 00 c2 a2 b20 0 c3 a3

1u1

u2

u3

= θ

1u1

u2

u3

b0u1 = θu0

c1u0 + a1u1 + b1u2 = θu1

c2u1 + a2u2 + b2u3 = θu2

c3u2 + a3u3 = θu3

ui+1 = 1bi

((θ − ai)ui − ciui−1

)(θ − ad)ud − cdud−1 = 0

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• Eigenvalues of H(3,2)

(y0, y1, y2, y3)

0 3 0 01 0 2 00 2 0 10 0 3 0

= θ(y0, y1, y2, y3)

y1 = θy0

3y0 + 2y2 = θy1

2y1 + 3y3 = θy2

y2 = θy3

WLOG y0 = 1

y1 = θ

y2 = 12(θ2 − 3)

y3 = 16(θ3 − 7θ)

(θ2 − 9)(θ2 − 1) = 0

θ = 3, 1, −1, −3

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• Eigenvalues of H(3,2)

(y0, y1, y2, y3)

0 3 0 01 0 2 00 2 0 10 0 3 0

= θ(y0, y1, y2, y3)

x0 = 1

x1 = 13θ

x2 = 16(θ2 − 3)

x3 = 16(θ3 − 7θ)

(θ2 − 9)(θ2 − 1) = 0

θ = 3, 1, −1, −3

y0 = 1

y1 = θ

y2 = 12(θ2 − 3)

y3 = 16(θ3 − 7θ)

(θ2 − 9)(θ2 − 1) = 0

θ = 3, 1, −1, −3

×3

×3

×1

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• Eigenvalues of H(3,2)

x1 = 13θ

x2 = 16(θ2 − 3)

x3 = 16(θ3 − 7θ)

(θ2 − 9)(θ2 − 1) = 0

θ = 3, 1, −1, −3

y1 = θ

y2 = 12(θ2 − 3)

y3 = 16(θ3 − 7θ)

(θ2 − 9)(θ2 − 1) = 0

θ = 3, 1, −1, −3

×3

×3

×1

,,,,,

lllll

,,

,,,

ll

lll

ll

ll

l

,,

,,

,

ll

ll

l

,,

,,

,

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• Eigenvalues

(1, v1, v2, v3)

0 b0 0 0c1 a1 b1 00 c2 a2 b20 0 c3 a3

= θ(1, v1, v2, v3)

c1v1 = θ

b0v0 + a1v1 + c2v2 = θv1

b1v1 + a2v2 + c3v3 = θv2

b2v2 + a3v3 = θv3

vi+1 = 1ci+1

((θ − ai)vi − bi−1vi−1

)(θ − ad)vd − bd−1vd−1 = 0

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• Eigenvalues

vi+1 = 1ci+1

((θ − ai)vi − bi−1vi−1

)(θ − ad)vd − bd−1vd−1 = 0

If θ = b0, then vi(θ) = |Γi(x)| = : ki

vi(θ) = kiui(θ) (∀θ, ∀i)

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• Eigenvalues

If θ = b0, then vi(θ) = |Γi(x)| = : ki

vi(θ) = kiui(θ) (∀θ, ∀i)

Vθ :=

(1, v1(θ), v2(θ), . . . , vd(θ)

),

1

u1(θ)u2(θ)

...ud(θ)

Uθ =

⟨Vθ,Uθ⟩ =d∑

i=0

vi(θ)ui(θ)

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• Multiplicity formula

Γ : D.R.G.

the multiplicity m(θ) of θ as an eigenvalue of Γ

can be calculated by

m(θ) =|V |

⟨Vθ,Uθ⟩

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• Eigenvalues of H(3,3)

Hamming graph H(3, 3)

�����

�����

���

��

�����

�����

���

��

�����

�����

���

��

jl

jl

jl

jl jljljljl

jljl

jl

jl

jl

jl

jl

jljljljl

jl

jl

jl

jljl

jl

jl

jl

jh jh jh jh ∗ 1 2 30 1 2 36 4 2 ∗

B =

0 6 0 01 1 4 00 2 2 20 0 3 3

ki = 1, 6, 12, 8

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• Eigenvalues of H(3,3)

ki = 1, 6, 12, 8

(1, θ, v2, v3)

0 6 0 01 1 4 00 2 2 20 0 3 3

= θ(1, θ, v2, v3)

6 + 1θ + 2v2 = θ2

4θ + 2v2 + 3v3 = θv2

2v2 + 3v3 = θv3

v2 = 12(θ − 3)(θ + 2)

v3 = 13((θ − 2)v2 − 4θ)

(θ − 6)(θ2 − 9)θ = 0

θ = 6, 3, 0, −3

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• Eigenvalues of H(3,3)

ki = 1, 6, 12, 8

v2 = 12(θ − 3)(θ + 2)

v3 = 13((θ − 2)v2 − 4θ) θ = 6, 3, 0, −3

θ = 6 ⇒ (vi) = (1, 6, 12, 8)

θ = 3 ⇒ (vi) = (1, 3, 0, −4)

θ = 0 ⇒ (vi) = (1, 0, −3, 2)

θ = −3 ⇒ (vi) = (1, −3, 3, −1)

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• Eigenvalues of H(3,3)

θ = 6 ⇒ (vi) = (1, 6, 12, 8)

θ = 3 ⇒ (vi) = (1, 3, 0, −4)

θ = 0 ⇒ (vi) = (1, 0, −3, 2)

θ = −3 ⇒ (vi) = (1, −3, 3, −1)

1 6 12 8

1 3 0 −4

1 0 −3 2

1 −3 3 −1

1 1 1 1

1 12

0 −12

1 0 −14

14

1 −12

14

−18

⟨ , ⟩

27

92

94

278

m(θ)

1

6

12

8