수학자들이 20년 묵은 '그래프 샌드위치' 추측을 증명하다
2004년 제안된 '샌드위치 추측'이 2025년 세 수학자에 의해 완전히 증명되었습니다. 이는 복잡한 무작위 정규 그래프를 두 개의 단순한 이항 그래프 사이에 끼워 넣어, 분석하기 어려운 정규 그래프의 여러 중요한 성질을 이항 그래프로부터 '공짜로' 얻을 수 있게 해주는 결과입니다. 복잡 네트워크 이해에 새로운 도구를 제공한다는 점에서 그래프 이론과 컴퓨터 과학 분야에서 중요한 의미를 갖습니다.
수학자들이 기다려 온 그래프 샌드위치를 만들어내다 폴리나 로윈스카 (Paulina Rowińska), 2026년 9월 18일
수십 년 된 추측의 증명이 연구자들에게 복잡한 네트워크를 이해하는 새로운 방법을 제공했다.
[서론]
2004년, 두 수학자가 일종의 강력한 '샌드위치'를 가설로 제시했다. 이들은 점(정점이라 부름)과 선(간선이라 부름)의 집합인 '그래프'를 연구하고 있었다. 그래프는 사회집단부터 인터넷, 뇌 속의 뉴런까지 무엇이든 나타낼 수 있다. 이 수학자들은 수학과 컴퓨터 과학에서 널리 쓰이지만 분석하기 어려운 한 유형의 그래프를, 수학적으로 엄밀한 방식으로 두 개의 더 단순한 그래프 사이에 '끼워 넣음'으로써 그 성질을 이해하고자 했다.
만약 연구자들이 이러한 샌드위치의 존재를 증명할 수 있다면, 가운데 있는 그래프가 단 하나의 흥미로운 성질을 가진다는 것을 보여주는 데 그치지 않고, 온갖 중요한 성질을 가진다는 것을 보여주게 된다. 그 과정에서 수학자들이 즐겨 연구해 온 두 가지 매우 다른 무작위 과정이 자신들이 상상했던 것보다 더 깊고 우아한 방식으로 연결되어 있음을 보여주기도 한다.
"이 개념은 정말 아름답습니다. 저를 가장 끌어당긴 것은 바로 그 아름다움이에요." 이 문제를 연구해 온 캐나다 워털루 대학교의 푸 가오(Pu Gao) 수학자는 말했다.
지난 20년 동안 수학자들은 관심 대상 그래프가 충분히 크기만 하면 항상 필요한 샌드위치를 만들 수 있다는 '샌드위치 추측'에서 진전을 이루었다. 하지만 아무도 이를 완전히 증명하지는 못했다. 그러다 2025년, 세 명의 수학자가 해당 분야의 기법을 한계까지 끌어올리는 방법을 찾아내며 이 탐구를 완성했다.
[다양한 맛의 그래프들]
1950년대 후반, 미국 수학자 에드거 길버트(Edgar Gilbert)는 벨 연구소에서 전화 네트워크를 연구하고 있었다. 이 네트워크를 더 잘 이해하기 위해 그는 정점들이 무작위로 다른 정점들과 연결되는 '무작위' 그래프의 단순한 모형을 만들었다. (수학자 폴 에르되시(Paul Erdős)와 알프레드 레니(Alfréd Rényi)도 거의 같은 시기에 독자적으로 비슷한 모형을 고안했다.)
이런 그래프를 만들려면 먼저 정점들의 집합에서 시작한다. 집합 안의 임의의 정점 쌍을 고른 다음, (편향될 수 있는) 동전을 던진다. 앞면이 나오면 둘 사이에 간선을 긋고, 그렇지 않으면 넘어간다. 그래프의 모든 정점 쌍에 대해 이 과정을 반복한다.
'무작위 이항 그래프'로 알려진 이 그래프들은 완벽하진 않지만 네트워크를 나타내는 유용한 방법임이 입증되었다. 비교적 분석하기 쉬웠고, 수학자들은 이에 대해 흥미로운 결과들을 많이 증명했다. 예를 들어 1970년대까지 이들은 무작위 이항 그래프가 어떤 조건에서 모든 정점을 정확히 한 번씩 방문하는 경로인 '해밀턴 순환'을 포함하게 되는지를 밝혀냈다.
하지만 무작위 그래프가 이 유형만 있는 것은 아니다. 수학자들은 모든 정점이 동일한 수의 간선을 갖는 무작위 그래프에도 관심을 가졌다. 이른바 '정규 그래프'는 이항 그래프보다 무작위 구조를 더 잘 이해하게 해주며, 실제 네트워크를 모델링할 때 훨씬 정확한 경우가 많다. 하지만 간선들이 더 제약적이고 상호의존적인 패턴을 이루기 때문에 분석하기도 훨씬 어렵다. 해밀턴 순환 문제가 이항 그래프에 대해 답해진 후, 정규 그래프에 대해서도 같은 질문에 답하기까지 20년의 추가 연구가 필요했다.
그런데 무작위 정규 그래프를 무작위 이항 그래프로 근사할 수 있다면 어떨까? 그것이 가능하다면 수학자들은 정규 그래프의 증명하기 어려운 여러 성질을 대응하는 이항 그래프로부터 '공짜로' 얻을 수 있다. 2000년대 초, 당시 마이크로소프트 리서치에 있던 김정한(Jeong Han Kim)과 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 반 하 부(Van Ha Vu)는 '그래프 샌드위치'를 만드는 방법으로 이것이 가능함을 보였다. 느슨하게 말하면, 그 아이디어는...