《集合论与图论》第23讲1
第23讲平面图
?四色问题
?平面图,面, 极大平面图
?欧拉公式
?Kuratowski定理
?对偶图,自对偶图
?外平面图
?平面哈密顿图
《集合论与图论》第23讲2
四色问题(Four Color Problem)
?1852, Francis Guthrie, 注意到英格兰地
图可以用4种颜色染色, 使得相邻区域(有
一段公共边界,不只是有一个公共点)有不
同颜色;他问其弟Frederick 是否任意地
图都有此性质? Frederick Guthrie ?
DeMorgan ? Hamilton.
?1878, Cayley, 提交伦敦数学会.
?约定: 无飞地
《集合论与图论》第23讲3
四色问题(Four Color Problem)
《集合论与图论》第23讲4
四色问题(Four Color Problem)
? 1879, Kempe, 第一次“证明”
? 1890, Heawood 发现Kempe证明的错误
? 1880, Tait, 另一个错误证明
? 1891, Petersen发现Tait证明的漏洞(Tait猜想)
? 1946, Tutte发现Tait证明的错误(Tait猜想反例)
?两次错误证明带来的收获:
? “Kempe chains”,
?用“3-边-着色”描述的四色定理的等价形式.
《集合论与图论》第23讲5
四色问题(Four Color Problem)
?1913, Birkhoff, 下一个大贡献, 导致
?1922, Franklin, 证明不超过25个区域的
地图四色猜想成立
?其他人取得其他形式进展:1974,52区域
《集合论与图论》第23讲6
四色问题(Four Color Problem)
?1936-50,Heesch,最终解决问题的两个要
素: 10000个情形,100年
?约化(reducibility),
?放电(discharging).
?1972-76, Appel, Haken, 1482个情形,
IBM360, 1200小时, 论文139页+400页程
序, conjecture<agnograms<theorem
《集合论与图论》第23讲7
四色问题(Four Color Problem)
?猜想(conjecture)<agnograms<定理
(theorem)
?另外一个证明?
《集合论与图论》第23讲8
四色问题(Four Color Problem)
《集合论与图论》第23讲9
平面图
?可平面图(planar graph): 可以画在平面上,
使得边与边不在非顶点处相交的图
?平面嵌入(imbedding): 画在平面上使得边
与边不在非顶点处相交
?平面图(plane graph): 在平面上边与边不
在非顶点处相交的图
《集合论与图论》第23讲10
球面嵌入, 曲面嵌入
?球面嵌入: 画在球面上使得边与边不在非
顶点处相交
?曲面嵌入: 画在曲面上使得边与边不在非
顶点处相交, 如环面嵌入
?定理11.1: 可平面嵌入?可球面嵌入
?证明: 连续球极投影. #
《集合论与图论》第23讲11
面
?区域(region):不含顶点与边的极大连通曲
面, R
?外部区域(exterior region): 面积无限的区
域, R
0
?区域边界(boundary of region): 与R
关联的边和顶点构成的子图
?面(face): 区域及其边界
?面的次数(degree): deg( R )=边界长度
R?
《集合论与图论》第23讲12
定理
?定理11.2: Σ
r
i=1
deg(R
i
)=2m. #
?定理11.3: 任何平面嵌入的内部面都可以
在另一种平面嵌入下成为外部面
?证明: 平面嵌入 ?球面嵌入 ?把该面旋
转到北极 ?平面嵌入. #
《集合论与图论》第23讲13
极大(maximal)平面图
?极大平面图: 是平面图, 但是在任意两个
不相邻顶点之间加边就是非平面图
?定理11.4: n(≥3)阶简单连通平面图是极大
平面图??R,deg( R )=3
?证明: (?)简单图?deg( R )≥3,
极大平面图?deg( R )≤3
(?)?R,deg(R )=3?不能加边而不交叉. #
?极小非平面图:是非平面图, 但是删除任
意1边就是平面图
《集合论与图论》第23讲14
欧拉公式
?欧拉公式: 设G是连通平面图, 则
n-m+r=2
其中r是G的面数.
?例: n=7,m=11,r=6: 7-11+6=2. #
《集合论与图论》第23讲15
欧拉公式(推广形式)
?欧拉公式: 设G是平面图, 则
n-m+r=1+p
其中r是G的面数, p是G的连通分支数
?证明:(破圈法)任选一个回路,删除回路上1
边,m’=m-1,这边分隔的2个面合并,r’=r-1,
所以n-m+r=n-m’+r’. 到最后无回路时是
森林, m’’=n-p, r’’=1, 即n-m+r=n-
m’’+r’’=1+p. #
《集合论与图论》第23讲16
定理11.8
?定理11.8: 设G是连通平面图, G的各面的
次数至少是l(≥3), 则
m≤(n-2)l/(l-2)
?证明: r=2+m-n,
2m=Σ
r
i=1
deg(R
i
)≥l?r=l?(2+m-n),
所以m≤(n-2)l/(l-2). #
?定理11.9: 设平面图G有p个连通分支, G
的各面的次数至少是l(≥3), 则
m≤(n-p-1)l/(l-2). #
《集合论与图论》第23讲17
推论
?推论: K
5
和K
3,3
都不是平面图.
?证明: (反证)假设K
5
和K
3,3
都是平面图.
(1) K
5
是简单图, 所以l =3,
10=m≤(n-2)l/(l-2)=(5-2)3/(3-2)=9, 矛盾!
(2) K
3,3
是偶图,无奇圈,所以l =4,
9=m≤(n-2)l/(l-2)=(6-2)4/(4-2)=8, 矛盾! #
? Jordan定理: Jordan曲线(自身不相交封闭曲线)
把平面分为2部分, 连接内部与外部点的任意曲
线必然与Jordan曲线相交.
《集合论与图论》第23讲18
定理11.10
?定理11.10: 设n(≥3)阶简单平面图G有m
条边,则m≤3n-6. #
?证明: G是简单图, 所以l ≥3,
m≤(n-p-1)l/(l-2)≤(n-2)3=3n-6,
其中p≥1, l/(l-2)在l =3时达到最大值. #
?定理11.11: 设n(≥3)阶简单极大平面图G
有m条边,则m=3n-6. #
?证明: G是极大平面图, 所以2m=3r,
r=2+m-n. #
《集合论与图论》第23讲19
定理11.12
?定理11.12: 设G是简单平面图,则δ(G)≤5.
?证明: (反证) 设n≥6并且δ≥6, 则
2m=Σd(v)≥nδ≥6n ? m≥3n,
与m≤3n-6 矛盾. #
《集合论与图论》第23讲20
同胚(homomorphism)
?插入2度顶点: 把(u,v)变成(u,w),(w,v)
?删除2度顶点: deg(w)=2, 把(u,w),(w,v)变
成(u,v)
?同胚: 反复插入或删除2度顶点后同构
uuvvw
《集合论与图论》第23讲21
Kuratowski定理
?定理11.13: 图G是平面图? G没有与K
5
或K
3,3
同胚的子图
?定理11.14: 图G是平面图? G没有可以
边收缩到K
5
或K
3,3
的子图
《集合论与图论》第23讲22
例11.3
《集合论与图论》第23讲23
例11.3(1)
K
5
K
3,3
《集合论与图论》第23讲24
例11.3(2)
K
5
K
3,3
《集合论与图论》第23讲25
例11.3(3)
K
5
K
3,3
《集合论与图论》第23讲26
例11.6
?例11.6: K
6
的含K
3,3
的非同构子图有哪些?
?解: K
6
有15条边, K
3,3
有9条边, 分别给K
3,3
加0,1,2,3,4,5,6条边: 共10种. #
《集合论与图论》第23讲27
对偶图(dual graph)
?对偶图: 平面图G=<V,E>的对偶图是
G*=<V*,E*>, 设G和G*的面集合是R和R*,
则V*与R, E*与E,都是一一对应的
《集合论与图论》第23讲28
对偶图的性质
?对偶图是连通平面图
?环与桥互相对偶
?平行边对偶于2个面之间的多条边界
?n*=r,m*=m,r*=n-p+1,d
G*
(v
i
*)=deg
G
(R
i
)
?G
1
?G
2
,不一定G
1
*?G
2
*
《集合论与图论》第23讲29
自对偶(self-dual)图
?自对偶图: G?G*.
?n≥4时, 轮图W
n
是自对偶图
?G连通? G?G**(要求G*不改变形状)
《集合论与图论》第23讲30
外平面图
?外平面图: 平面图的所有顶点可都在一个
面的边界上, 例: (1)(2)
?极大外平面图: 本身是外平面图,但是在
不相邻顶点之间加边就不是外平面图了,
例: (1)
《集合论与图论》第23讲31
外平面图(充要条件)
?定理11.22: G是外平面图? G不含与K
4
或K
2,3
同胚的子图. #
《集合论与图论》第23讲32
极大外平面图(充要条件)
?定理11.19: 设G是所有顶点在外部面边界
上的n(≥3)阶外平面图, 则G是极大外平
面图? G外部面边界是n-圈, 所有内部面
边界是3-圈. # (“三角剖分”)
《集合论与图论》第23讲33
极大外平面图(必要条件)
?定理11.20:设G是所有顶点在外部面边界
上的n(≥3)阶极大外平面图,则G有n-2个
内部面. #
?定理11.21: 设G是n(≥3)阶极大外平面图,
则m=2n-3, κ=2, 至少有3个顶点度数≤3,
至少有2个顶点度数=2. #
《集合论与图论》第23讲34
平面哈密顿图(Tait猜想)
?Tait猜想(1880): 3连通3正则平面图都是
哈密顿图
?Tutte图(1946): 46阶反例(左图)
?Lederberg图(1967): 38阶反例(右图)
《集合论与图论》第23讲35
平面哈密顿图(充分条件)
?定理(Tutte,1956): 4连通平面图是哈密顿
图. #
《集合论与图论》第23讲36
平面哈密顿图(必要条件)
?定理(grinberg,1968): 设G是n阶简单平面
哈密顿图, C是其中的哈密顿回路, 在C内
(外)部次数为i的面数为r
i
’(r
i
”), 则
Σ
n
i=3
(i-2)(r
i
’-r
i
”)=0. #
?证明: 设C内有m
1
条边,则Σ
n
i=3
r
i
’=m
1
+1.
又Σ
Rj内部面
deg( R
j
)=Σ
n
i=3
ir
i
’=2m
1
+n, 所以
Σ
n
i=3
(i-2)r
i
’=n-2, 同理Σ
n
i=3
(i-2)r
i
”=n-2. #
《集合论与图论》第23讲37
例11.5
?例11.5: 下图中不存在过边(a,b)的哈密顿
回路. (由此可证Tutte图和Lederberg图
不是哈密顿图.) #
38
5
5
5
5
5
4
4
a
b
《集合论与图论》第23讲38
总结
?四色问题
?平面图,面,极大平面图
?欧拉公式, Kuratowski定理
?对偶图,自对偶图
?外平面图
?平面哈密顿图
《集合论与图论》第23讲39
作业(#19)
? p298, 习题十一, 3,6,7,13,14
?今天交作业#17, #18
《集合论与图论》第23讲40
习题讲解(#14)
?p234, 习题八, 7,9,13
?7.
《集合论与图论》第23讲41
习题讲解(#14)
?p234, 习题八, 7,9,13
?9. |E(K
n
)|=n(n-1)/2, m=(n-1)(n-2)/2+2,
|E(K
n
)|-m=n-3, G是从K
n
删除n-3边.
?u,v∈V(G), (u,v)?E(G)?d(u)+d(v)≥
2(n-1)-2-(n-4)=n, ∴ G是哈密顿图.
反例: G是从K
n
删除n-2边, δ(G)=1. #
《集合论与图论》第23讲42
习题讲解(#14)
?p234, 习题八, 7,9,13
?13. G=<V,E>,E={ (u,v) | u和v认识},
?u,v∈V(G), d(u)+d(v) ≥ n-2,
n≥4 ? d(u)+d(v)≥ n-2 ≥ n/2 ,
∴ n≥4时G是哈密顿图(?). n=3时, 只有2种
可能: K
3
或K
3
删除1边, G是半哈密顿图.
#
《集合论与图论》第23讲43
习题讲解(#15)
? p256, 习题九, 2,3,6,11
? 2. 设有x个4度顶点, 由握手定理
9+3×3+4x=2(9+3+x-1), x=2.
度数列1
9
3
3
4
2
, 考虑3
3
4
2
, d(T)=T直径
d(T)=6: 33344, 33434, 34334,
43334, 33443, 34343
d(T)=5: 3443, 4433, 4343,
4333, 4333, 3433, 3433,
d(T)=4: 344, 14种非同构的. #
《集合论与图论》第23讲44
习题讲解(#15)
?p256, 习题九, 2,3,6,11
?3. 设有x个树叶, 由握手定理
2(x+n
2
+…+n
k
-1)=x+2n
2
+3n
3
+…+kn
k
x= n
3
+2n
4
+…+(k-2)n
k
+2. #
?6. (反证)假设G和G都无圈, 即都是森林,
所以|E(K
n
)|=|E(G)|+|E(G)|≤2(n-1),
n≥5?|E(K
n
)|=n(n-1)/2>2(n-1), 矛盾! #
《集合论与图论》第23讲45
习题讲解(#15)
?p256, 习题九, 2,3,6,11
?11. 设有x个树叶, 由握手定理
2(n-1)=2m
=Σd(v)=Σ
d(v)=1
d(v)+Σ
d(v)=Δ
d(v)+Σ
其余v
d(v)
≥x+k+2(n-x-1)
∴ x≥k. #
《集合论与图论》第23讲46
习题讲解(#16)
?p256, 习题九, 10, 12
?10. T={e,g,d,j,i}, T={a,b,c,f,h},
C
a
=aegdj,C
b
=bgdji,C
c
=cgd, C
f
=fge,
C
h
=hji, C
基
={C
a
,C
b
,C
c
,C
f
,C
h
}.
S
e
={e,a,f}, S
g
={g,a,b,c,f},S
d
={d,b,c,a},
S
j
={j,a,b,h}, S
i
={i,b,h},
S
基
={S
e
,S
g
,S
d
,S
j
,S
i
}. #
《集合论与图论》第23讲47
习题讲解(#16)
?p256, 习题九, 10, 12
?12. 证明:
引理: G连通, 设(V,V)是断集,则
(V,V)是割集? G[V]和G[V]都连通
证明引理: 割集的极小性. #
《集合论与图论》第23讲48
习题讲解(#16)
?p256, 习题九, 10, 12
?12. 证明(续): 利用引理, 考虑圈C所在的
连通分支G
1
. 设C-{e
1
,e
2
}的两个连通分支
是C
1
和C
2
. G
1
的顶点分成5组(可能为空):
V
1
=V(C
1
), V
2
=V(C
2
), V
3
={v?V
1
|v与C
1
连
通}, V
4
={v?V
2
|v与C
2
连通}, V
5
=V(G
1
)-
U
4
i=1
V
i
. 令V=V
1
∪V
3
, 则(V,V)是含e
1
,e
2
的
割集. #
《集合论与图论》第23讲49
习题讲解(#16)
?p370, 习题十四, 9
?9. 避圈,破圈,断集,逐步短接
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44
56
12
3
4
56
12
4
56
《集合论与图论》第23讲50
习题讲解(#16)
?9. 避圈,破圈,断集,逐步短接
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44 7
56
12
3
44
56
2
3
4
56
4
56
77
744
56
7
6
7