
книги из ГПНТБ / Басакер Р. Конечные графы и сети
.pdfГРАФЫ II ПОВЕРХНОСТИ |
12Э |
лекса К и, следовательно, множество точек, |
принадле |
||
ж а щ и х некоторому |
симплексу |
в /(. |
|
Поверхность 5 |
является |
неориентируемой, |
если су |
ществует некоторая точка, вокруг которой устанавлива ется направление вращения, и можно двигать точку по поверхности, соблюдая одну п ту же ориентацию отно сительно точки задания вращения, а затем вернуться в начальное положение с обратным ощущением направ ления вращения . Если не существует такой точки, то
поверхность называется |
|
ориентируемой. |
|
||||||
|
Если |
правый |
конец |
прямоугольника, изображенного |
|||||
па |
рис. 4.13, |
повернуть на |
полоборота и затем соединить |
||||||
с |
левым |
концом, |
то |
мы |
полу |
А |
|
||
чим ленту, |
отличающуюся |
от |
|
||||||
обычного |
|
кольца, |
выполнен- |
I |
t |
||||
пым полуоборотом. Это так на- |
' |
||||||||
зываемый лист Мёбиуса. |
З а м е - |
^ |
|
||||||
тим, что он является односто- |
Рпс. 4.13. |
||||||||
ронней поверхностью, т. е. начав |
|
|
|||||||
свое движение с некоторой точки поверхности, |
мы мо |
||||||||
жем вернуться в |
нее, не пересекая при этом края |
поверх |
ности. Нетрудно видеть, что лист Мёбиуса является не ориентируемой поверхностью. С другой стороны, сфера и плоскость являются примерами двусторонних ориен
тируемых |
поверхностей. |
||
|
Картой |
называется граф вместе с поверхностью, со |
|
д е р ж а щ е й |
этот граф, ребра которого пересекаются толь |
||
ко в их граничных |
точках. |
||
|
Фактически формула Эйлера применима к много |
||
гранникам |
в трехмерном пространстве. В этом случае |
||
мы |
имеем |
V—E-\-F |
= 2, где V — число вершин, Е — чис |
ло |
ребер и F — число граней. Доказательство получается |
путем отбрасывания одной из' граней и растягивания многогранника на плоскости без пересечения его ребер. Доказательство проводится точно так же, как в слу чае плоского графа, за исключением того, что внешняя грань не учитывается. Вместо нее вводится недостаю щ а я грань, которая была отброшена.
Следующая теорема, к а с а ю щ а я с я многогранников, приводится здесь из-за сходства рассуждений, применя емых при ее доказательстве н доказательстве теорем теории графов.
9 Р. Басакер, Т. Сааш
ПЛОСКИЕ И НЕПЛОСКНЕ ГРАФЫ |
1ГЛ. 4 |
Теорема |
4.28. К а ж д ы й |
замкнутый |
многогранник име |
||||||||||||
ет, |
по |
крайней |
мере, две грани |
с |
одинаковым |
числом |
|||||||||
ребер. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Пусть |
с; — число |
ребер |
i-й гра |
|||||||||||
ни, |
причем |
грани |
упорядочены |
так, |
что |
e f ^ e , ' + l |
|||||||||
( t = l , |
2, |
|
г—1) |
[31]', где л — число |
граней. |
Если |
|||||||||
ни одна пара граней не содержит одинакового |
числа |
||||||||||||||
.ребер, то |
|
— е , - ^ 1 для |
всех |
I |
Таким образом, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
er — ej = |
v , |
(е.-ы — <?/) > |
г — 1. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так |
как |
е , - ^ 3 , |
то мы имеем |
ег^г-\-2, |
т. е. r-я |
грань' |
|||||||||
смежна, |
по |
крайней |
мере, с |
г-\-2 |
гранями, |
что |
невоз |
||||||||
можно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З а м е ч а н и е |
1. |
М о ж н о доказать |
более |
сильное ут |
|||||||||||
верждение, |
что если |
k — наименьшее |
число ребер |
грани, |
|||||||||||
то существует, по крайней мере, |
/г индексов |
i, для |
кото |
||||||||||||
рых |
|
et=el+l. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
З а м е ч а н и е |
2. |
Формула |
Эйлера |
может |
быть |
обоб |
щена на многогранник в «-мерном пространстве, если обозначить через /•",•(( = 0, 1 п—1) число граней i-й размерности. Например, F0— число вершин. В этом случае формула Эйлера будет иметь вид
™У ( - 1 ) < Л = 1 - ( - ! ) » ,
1=0
где правая часть равна 0 или 2 в зависимости от чет ности п.
|
Возвращаясь |
в трехмерное пространство, заметим, |
|||
что |
формула |
Эйлера для поверхностей с дырками |
име |
||
ет вид |
|
V—E+F=2—2p, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
р — число |
независимых дырок, |
называемое |
родом |
|
поверхности. |
Род |
поверхности — это |
наибольшее |
число |
простых замкнутых кривых на поверхности, которые не
разъединяют поверхность. Сфера является |
поверхностью |
|||
нулевого рода, так как л ю б а я замкнутая кривая |
на этой |
|||
поверхности |
разъединяет ее. Тор является |
поверхностью |
||
1-го рода. |
Л ю б а я |
поверхность р-го рода |
эквивалентна |
|
сфере с р ручками |
(подобно ручке на чайной |
ч а ш к е ) . |
4.6] ГРАФЫ II ПОВЕРХНОСТИ 131
Д л я н е о р и е и т и р у е м о й |
п о в е р х н о с т и |
п р а в а я |
часть |
ф о р м у |
|||||||||||||||||||
лы Э й л е р а |
з а м е н я е т с я |
на 2—q, |
где q — ро д |
п о в е р х н о с т и . |
|||||||||||||||||||
Ч т о б ы |
вывести |
эту |
ф о р м у л у , |
|
м о ж н о |
п р е д с т а в и т ь |
|||||||||||||||||
с е б е с ф е р у |
в |
виде м н о г о г р а н н и к а |
с |
ручками . |
Р у ч к а |
мо |
|||||||||||||||||
ж е т |
быть |
о т р е з а н а |
в о д н о м |
месте |
п р и к р е п л е н и я |
(при |
|||||||||||||||||
этом |
по д |
ней |
останется |
|
м н о г о г р а н н о е |
отверстие) |
и |
||||||||||||||||
вставлена |
в д р у г о е |
место |
прикрепления |
(при э т о м |
|
об |
|||||||||||||||||
р а з у е т с я т а к о е ж е м н о г о г р а н н о е о т в е р с т и е ) . |
|
М о ж н о |
|||||||||||||||||||||
показать, что в ы р а ж е н и е |
V—E-\-F=2, |
|
|
с п р а в е д л и в о е д л я |
|||||||||||||||||||
л ю б о г о р а з д е л е н и я |
ц е л о й |
сферы, |
д о л ж н о |
быть |
с о к р а |
||||||||||||||||||
щ е н о на 2р |
(число з а п л а т |
на |
п о в е р х н о с т и ) . |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Теперь |
мы |
п о л у ч а е м |
ф о р м у л у |
Х и в у д а , |
которая |
|
дл я |
||||||||||||||||
|
о п р е д е л я е т д о с т а т о ч н о е |
|
число |
цветов |
дл я р а с к р а |
||||||||||||||||||
ски |
карты |
на п о в е р х н о с т и |
р-ro |
р о д а в |
в и д е |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
' 7 + Т/1 + |
48р " |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К в а д р а т н ы е |
скобки |
о з н а ч а ю т , |
что |
б е р е т с я |
|
н а и б о л ь ш е е |
|||||||||||||||||
ц е л о е |
число, |
не п р е в о с х о д я щ е е |
числа |
внутри |
|
скобок . |
|||||||||||||||||
З а м е т и м , |
что |
при |
н е о р и е и т и р у е м о й |
п о в е р х н о с т и |
дл я |
||||||||||||||||||
д о с т а т о ч н о г о |
числа цветов |
мы и м е е м |
[(74 - |/ 1 |
|
-\-24q)/2\. |
||||||||||||||||||
О б е п р е д ы д у щ и е ф о р м у л ы д а ю т н и ж н ю ю г р а н и ц у |
|||||||||||||||||||||||
н е о б х о д и м о г о |
числа |
цветов, |
когда |
к а ж д а я |
у м е н ь ш а е т с я |
||||||||||||||||||
на 2 |
[39] . Та ж е с а м а я |
п р о ц е д у р а |
получения |
о д н о р о д н о й |
|||||||||||||||||||
карты |
степени |
3 из |
плоской |
|
карты |
|
п р и м е н и м а |
т а к ж е |
|||||||||||||||
д л я |
карты |
на поверхности р-го рода . |
Д а л е е |
мы |
б у д е м |
||||||||||||||||||
р а с с м а т р и в а т ь |
только |
связные |
карты, |
так как |
н е т р у д н о |
||||||||||||||||||
видеть, |
|
что р а с к р а с к а |
несвязной |
|
карты |
является |
част |
||||||||||||||||
ным |
с л у ч а е м |
р а с к р а с к и связной . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Теперь |
дл я о д н о р о д н о й |
карты |
степени |
3 мы и м е е м |
|||||||||||||||||||
2>V=2E=aF, |
|
где а — с р е д н е е |
|
число |
ребер |
дл я д а н н о й |
|||||||||||||||||
грани. П о д с т а н о в к о й |
в ф о р м у л у Э й л е р а дл я |
поверхности |
|||||||||||||||||||||
р-то р о д а мы получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
П р и б а в и м |
по |
1 к к а ж д о й |
|
части |
в ы р а ж е н и я , |
о б о з н а ч и м |
|||||||||||||||||
a-\-\=F |
|
и |
р е ш и м п о л у ч е н н о е |
|
к в а д р а т н о е |
|
у р а в н е н и е , |
||||||||||||||||
беря |
дл я |
получения |
ф о р м у л ы |
Х и в у д а |
только |
п о л о ж и |
|||||||||||||||||
тельный |
корень |
а. Чтобы |
|
д о к а з а т ь , |
что н а и б о л ь ш е е |
|
це |
||||||||||||||||
лое, |
не |
п р е в о с х о д я щ е е |
сс, о п р е д е л я е т |
д о с т а т о ч н о е |
число |
||||||||||||||||||
цветов |
|
дл я поверхности |
р-го |
р о д а , |
з а м е т и м , |
что если |
|||||||||||||||||
F ^ a , |
то число |
а д о с т а т о ч н о , |
так |
как F цветов |
д о с т а - |
9*
132 ПЛОСКИЕ I I НЕПЛОСКИЕ ГРАФЫ [ГЛ. 4
точно для раскрашивания F граней. Если |
Г~>а, |
то из |
|||||||||||||||||
рис. |
4.14 |
следует, |
что |
всегда |
я + К а . |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Учитывая, что а есть среднее число сторон |
грани, |
|||||||||||||||||
можно |
утверждать, |
что |
существует |
грань |
R, |
нмею- |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щая |
самое |
большее |
а |
или |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[ а ] —1 |
сторон, |
так |
как |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а + 1 ^ [ а ] . |
|
Если |
устра |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нить |
|
некоторое |
ребро |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
этой |
грани, |
объединив ее |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с одной |
из смежных |
гра |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ней R', то можно показать, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что |
если |
[а] |
цветов |
до |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
статочно |
для |
сокращенно |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
го графа, то их достаточ |
||||||||
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
F |
|
но и для |
исходного. |
Пред |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
положим, |
что |
сокращен |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Рис. |
4.14. |
|
|
|
ный |
граф |
раскрашен |
[ а ] |
||||||
|
R' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цветами. Тогда, |
учитывая, |
|||||||
что |
и другие |
грани сокращенного |
графа, |
которые |
ог |
||||||||||||||
раничивали |
R, |
в |
совокупности |
дают |
число |
не |
более |
||||||||||||
[ а ] — 1 , грань |
R |
можно окрасить |
оставшимся, |
ие |
заня |
||||||||||||||
тым цветом. Если сокращенный граф |
имеет |
более |
чем |
||||||||||||||||
[а] |
граней, |
то |
повторим |
приведенное |
рассуждение, |
так |
|||||||||||||
как покажем, что если мы объединим |
какую-то |
грань, |
|||||||||||||||||
имеющую |
самое |
большее |
[а] |
— 1 |
сторон, |
с |
одной |
из |
|||||||||||
соседних |
|
граней |
и полученный новый сокращенный граф |
||||||||||||||||
м о ж н о |
раскрасить в |
[ а ] |
цветов, |
то |
тогда |
и |
исходный |
||||||||||||
граф |
можно |
раскрасить в |
[а] |
|
цветов. |
(Такая |
грань |
сно |
|||||||||||
ва |
д о л ж н а существовать, |
так |
|
как |
среднее |
число |
сторон |
||||||||||||
а по-прежнему |
|
удовлетворяет |
о - | - 1 - < [ с б ] |
в |
силу |
того, |
|||||||||||||
что число |
граней |
F > [ a ] . ) |
Таким образом, |
возможность |
|||||||||||||||
раскраски |
исходного |
графа |
в |
[а] |
цветов |
в |
конечном |
счете основана на возможности раскраски сокращенного
графа с [а] |
гранями |
в |
[ а ] |
цветов, |
что, очевидно, |
всег |
|
да возможно. |
|
|
|
|
|
|
|
Заметим, |
что к а ж д а я |
из |
объединенных |
граней, |
име |
||
ющих самое |
большее |
[ос] —1 |
сторон, |
может |
быть разде |
лена па |
исходные составные части, которые можно рас |
||
красить |
без противоречий |
с соседями. |
Доказательство |
закончено. |
д л я различных значений р |
||
Необходимость доказана |
|||
н требует построения специальных карт |
(см. [ 2 ] ) . |
ЛИТЕРАТУРА |
133 |
Необходимость семи |
цветов |
дл я |
тора |
показана |
па |
||||
карте |
рис. 4.15. Из' |
формулы |
Хнвуда |
следует т а к ж е |
|||||
их достаточность. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
г |
|
! |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
7 |
|
1 |
|
|
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Рис. 4.15. |
|
|
|
|
|
|
4.17. Показать, что для раскраски |
карты |
на |
листе Мёбиуса |
не |
|||||
обходимо шесть цветоп. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Существует интересная теорема, предложенная Эд- |
|||||||||
моидсом, |
в которой |
рассматривается |
связь |
между |
гра |
||||
фом G и порождаемыми |
им картами |
(S, G) на поверх |
|||||||
ности |
S. |
З а д а ч а состоит |
в том, чтобы |
охарактеризовать |
|||||
карты |
па |
ориентируемой |
поверхности, |
представляющие |
собой изображения данного графа па этом поверхности.
Интуитивно ясно, что если мы имеем карту (S, G), соответствующую графу G, то эта карта определяет в каждой вершине единственное циклическое упорядоче
ние. Оказывается, что такие циклические |
упорядочения |
||
ребер в каждой вершине точно определяют связь между |
|||
графами и картами, отраженную в следующей |
теореме. |
||
Теорема 4.29 |
(Эдмондс). Д л я любого |
связного графа |
|
G с произвольно |
определенным циклическим |
упорядо |
чением ребер в каждой вершине существует топологи чески единственная карта (5, G) па ориентированной поверхности такая, что упорядочение ребер по часовой
стрелке в каждой вершине точно совпадает |
с выбран |
|
ным (исходным) |
упорядочением. |
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
1. А л е к с а н д р о в |
П. С , Комбинаторная топология, |
Гостехпздат, |
1947. |
|
|
2.В а 11 W. W. R., Mathematical Recreations and Essays. The Macmillan Company, New York, 1960,
134 |
|
|
|
|
|
|
|
ПЛОСКИЕ I I НЕПЛОСКПЕ ГРАФИ |
|
|
|
|
|
1ГЛ. '1 |
|||||||||||||
3. |
B e r g e |
|
С , |
|
Theory of Graphs and Its Applications. John Wiley & |
||||||||||||||||||||||
|
Sons, |
Inc., |
New |
York, 1962. |
[Русск. |
nqieB.: |
Б е р ж |
К., |
|
Теория |
|||||||||||||||||
|
графов и ее применение, И Л , 1962.] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
4. |
В i г k h о f f |
|
G. D., A Determinant Formula |
for |
the |
Number |
of |
||||||||||||||||||||
|
Ways |
of |
Colouring |
a Map., Ann. Math., |
14 |
(2) |
: 42—46 |
|
(1912). |
||||||||||||||||||
5. |
B i r k h o f f |
|
G. D., On the Number of Ways of Coloring a Map. |
||||||||||||||||||||||||
|
Proc. Edinburgh Math. Soc , 2 |
(2), |
83—91 |
(1930). |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
6. |
B i r k h o f f |
|
G. D., |
The |
Coloring |
of |
Graphs. Ann. Math., |
33 |
(2); |
||||||||||||||||||
|
688—718 |
|
(1932). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
7. |
B i r k h o f f |
|
G. D., |
The |
RedLicibility |
of |
Maps. Am. J . Math., |
35: |
|||||||||||||||||||
|
115—128 |
|
(1913). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
8. |
B i r k h o f f |
|
G . D., On the Polynomial Expressions for |
the |
Number |
||||||||||||||||||||||
|
of Ways of Coloring a Map. Ann. Scuola Normali Superiore, Pisa, |
||||||||||||||||||||||||||
|
Ser. 2, 3: 85—104 |
(1934) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
9. |
B i r k h o f f |
|
G. D., |
L e w i s |
D. C , |
Chromatic |
Polynomials. |
Trans. |
|||||||||||||||||||
|
Am. Math. Soc, 60: 355—451 |
(1946). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
10. |
B r o o k s |
|
R. L . , |
On Colouring |
the Nodes |
of a |
Network. |
Proc. |
|||||||||||||||||||
|
Cambridge |
Phil. Soc, 37: 194—197 |
(1941). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
11. |
D у n к i ii |
|
E . B. |
and W. |
A. |
U s |
p e n |
s k i , |
|
Multicolor |
Problems. |
||||||||||||||||
|
D. C. H e a t h |
and |
Company, |
Boston, |
1952 |
(Original |
in |
German). |
|||||||||||||||||||
12. |
D i r a c |
|
G. A., |
Note on |
the |
Colouring |
of |
Graphs. Math. |
|
Z., |
54: |
||||||||||||||||
|
347—353 |
|
(1951). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
13. |
D i r a c |
|
G. A., |
A Properly |
of |
4-Chromalic Graphs and Some Re |
|||||||||||||||||||||
|
marks on Critical Graphs.',!. London |
Math. Soc, |
27: 85—92 |
(1952). |
|||||||||||||||||||||||
14. |
D i r a c |
|
G. A., |
Some Theorems on |
Abstract |
Graphs. Proc |
London |
||||||||||||||||||||
|
Math. Soc , |
Ser. 3, 2 : 69—81 |
(1952). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
15. |
D i r a c |
G. A., |
The Structure |
of |
^-Chromatic Graphs. Fund. Math., |
||||||||||||||||||||||
|
40: 42—45 |
|
(1953). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
16. |
D i г а с |
G. A., |
Map |
Colour |
Theorems |
Related |
to |
|
the Heawood |
Co |
|||||||||||||||||
|
lour Formula. J . London Math. Soc, 31: 460 |
(1956). |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
17. |
D i r a c |
|
G. A. |
and |
M. D. |
S t o j a k o v i c , |
|
The |
Four-colour |
Prob |
|||||||||||||||||
|
lem. Matematica Biblioteka, 16 : 1960, |
MR 22—1946. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
18. |
E r d o s |
|
P. |
and |
de |
B r u i j n |
N. G., A Color |
Problem |
for |
|
Infinite |
||||||||||||||||
|
Graphs and a Problem in the Theory of Relations. Indagationes |
||||||||||||||||||||||||||
|
Mathfc., 13: 369-373 |
(1951). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
19. |
E r r e r a |
|
J . , |
Du Coloriage |
des |
|
Cartes, |
These, |
|
Bruxelles, |
1921, |
||||||||||||||||
|
Malhesis, |
30; |
56 |
(1922). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
20. |
A problem |
in |
Eureka, October, 1960. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
21. |
F a r у |
|
I.. On |
Straight Line |
Representation |
of |
|
Planar |
|
Graphs. |
|||||||||||||||||
|
Acta Sci. Math. 11 (4): 229—233 |
(1948). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
22. |
F r a n к 1 i n |
P., |
The Four Color Problem. |
Scripta |
Mathematica, |
||||||||||||||||||||||
|
No. 5, |
1941. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
23. |
G o o d m a n |
|
A. W., |
On |
Sets |
of Acquaintances and Strangers at |
|||||||||||||||||||||
|
Any Party. Am. Math. Monthly, 66: 778—783 |
(1959). |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
24. |
G r e e n w o o d |
R. E . , G l e a s o n |
A . M . , Combinatorial |
Relations |
|||||||||||||||||||||||
|
and Chromalic Graphs. Can. J . Math., 7: 1—7 |
|
(1955). |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
25. |
G г ii n b a u m |
В., |
M о t z к i n |
T. S., |
On |
|
Polyhedral |
|
Graphs. |
||||||||||||||||||
|
Proc. Symp. Pure Math., vol. 7, Convexity, |
1963. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
26. |
H a r a r y |
F . , |
A |
Complementary |
Problem |
on |
Nonplanar |
|
Graphs. |
||||||||||||||||||
|
Math. Mag., |
35 : 301-303 |
(1962). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
27.H e a w o o d P. J . , Map Color Theorem. Quart. J . Pure Appl. Math., No. 24, p. 332, 1890.
ЛИТЕРАТУРА |
133 |
28.К п е е b о п е G. Т., The Three Houses Problem. Math. Gaz., 25: 78—81 (1941).
29. |
K r a u s z |
J . , Demonstration |
Nouvelle d'une Theoreme |
de |
Whitnev |
|||
|
sur les Resoaux. Mat. Fiz. Lapok, 50: 75—85 (1943). (In Hunga |
|||||||
|
rian.) |
|
|
|
|
|
|
|
30. |
К и г a t о w s к i |
G., Sur probleme des Courbes Gaudies |
en To- |
|||||
|
pologic. Fund. Math. 15—16 |
(1930). |
|
|
||||
31. |
L i n i s V., |
Math. Mag., 36 |
(4) |
(1963). |
|
|
||
32. |
L o r d e n |
G., |
Blue — Empty |
Chromatic Graphs. |
Am. |
Math. |
||
|
Monthly, 69 (2) : 114—119 (1962). |
|
|
|||||
33. |
M a c L a n e |
S., |
A Combinatorial Condition for Planar |
Graphs. |
||||
|
Fund. Math., 28—22—32 (1937), |
Zbl. Math. 15, 375. |
|
|
31.M a r a t h e C. R., On the Dual of a Trivalent Map. Am. Math Monthly, 68 (5): 448—455 (1961).
35. |
M i n t y |
G. J . , A Theorem on |
^-Coloring the Points of a Linear |
||||||
|
Graph. Am. Math. Monthly, 69 (7) : 623—624 |
(1962). |
|
||||||
36. |
N о г d h a u s, |
E . A., |
G a d d u m |
J . W., On Complementary |
Graphs, |
||||
|
Am. Math. Monthly, |
63 : 175—177 (1956). |
|
|
|
||||
36a. P i с a r d C , |
Graphes Complementaires et Graphes Planaires. Rev. |
||||||||
|
Franc. Recherche Operationelle, |
8:329—343 |
(1964). |
|
|||||
37. |
R a p a p о r t |
E . S., |
Cayley Color Groups |
and |
Hamilton |
Lines. |
|||
|
Scripta |
Math. 24: 51—58 |
(1959). |
|
|
|
|||
38. |
R a t i b |
L . , |
W i n n |
С. |
E . , |
Generalisation |
d'une Reduction |
||
|
d'Errera clans le Probleme des |
Quatre Couleurs. Intern. Congr. |
|||||||
|
Math. Oslo, 1936. |
|
|
|
|
|
|
39.R i n g e I G., Farbungsprobleme auf Flachen und Graphen, V E B Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1959.
40. |
S a u v ё |
L . , On Chromatic |
Graphs. Am. Math. Monthly, |
68: |
|
|
107-111 (1961). |
|
|
|
|
41. |
S e s h u |
S., R e e d |
M. В., Linear Graphs and Electrical Networks. |
||
|
Addison — Wesley |
Publishing |
Company, Inc., Reading, Mass. |
1961. |
42.T i e t z e H., Einige Bernerkungen Liber das Problem der Karten farbens auf einseitigen Flachen. Jabresber., Deulsh. Math. Vereinigung, 19: 155—159 (1910).
43. Z e i d 1 |
В., Ober 4-und 5-chrome Graphen. Monatsh. Math., 62 j |
212—218 |
(1958), |
Г л а в а 5
М А Т Р И Ч Н О Е П Р Е Д С Т А В Л Е Н И Е Г Р А Ф О В
5.1.Введение
Вглаве 5 вводится ряд матриц, с помощью которых можно описывать, используя алгебраический аппарат, ориентированные и неориентированные графы. Эти мат
рицы задают |
отношения |
ипцпдепцпй |
между |
вершинами |
и ребрами и |
в более |
общем случае |
между |
циклами, |
разрезами, цепями и соответствующими ребрами. Они являются удобной формой представления структурных свойств графа .
Между матрицами ннцпденций, циклов и разрезов существует тесная взаимосвязь, которая позволяет вы разить базис векторного пространства, связанного с од
ним |
типом |
матриц, |
через |
базис |
пространства, |
связан |
|
ного с другим типом. Это |
облегчает, |
например, |
задачу |
||||
нахождения |
всех разрезов |
графа |
при известных его |
||||
циклах. |
|
|
|
|
|
|
|
В |
главе |
7 будет |
показано, |
что |
свойства |
разрезов |
тесно связаны с максимальным потоком в соответствую щей сети. Определение основных матриц для циклов и
разрезов |
в |
существенной мере основывается на поняти |
||||||||||
ях дерева, |
ветвей дерева |
и |
хорд. |
|
|
|
|
|||||
При описании неориентированных графов мы будем |
||||||||||||
иметь |
дело |
с |
матрицами |
цнциденций,' элементами |
кото |
|||||||
рых могут |
быть только нули и единицы. Сложение |
чисел |
||||||||||
всегда |
будет |
производиться |
по |
модулю |
2. |
В этом |
случае |
|||||
1 + 1 = 0 |
(по |
модулю 2), |
1 + 0 = |
0 + 1 = |
1, |
и 0 + 0 = 0 . |
Та |
|||||
ким |
образом, |
для выполнения |
операции |
сложения |
по |
|||||||
модулю |
2 |
необходимо просто сложить |
соответствующие |
|||||||||
элементы, |
затем |
разделить |
результат |
на |
2 и остаток |
C.I] |
ВВЕДЕНИЕ |
137 |
записать как результат |
сложения |
по модулю 2. Такой |
выбор элементов матриц позволяет определить наличие
некоторого свойства между двумя элементами |
(тогда |
|||||||||||
соответствующий |
элемент |
равен |
1) |
или его |
отсутствие |
|||||||
(тогда элемент равен 0). |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Матрицы |
перемножаются |
и складываются |
как обыч |
|||||||||
но, однако |
|
р е з у л ь т а т . всегда |
записывается |
по |
моду |
|||||||
лю 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
описании |
ориентированных |
графов |
элементов 0 |
||||||||
и 1 оказывается |
недостаточно, так как дуга |
может |
быть |
|||||||||
инцидентна данной вершине и направлена |
к ней, инци |
|||||||||||
дентна |
и направлена |
от нее, или не инцидентна |
вершине. |
|||||||||
Поэтому для обозначения |
ориентированной |
инцидентно |
||||||||||
сти или ее отсутствия воспользуемся |
символами 1,—1,0. |
|||||||||||
Здесь |
мы |
уже не |
можем |
|
пользоваться |
приведением |
||||||
по модулю |
2 и должны рассматривать матрицы с цело- |
|||||||||||
ч и сл е и и ы м и эле м е н т а м и. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Конечно, с такими матрицами |
работать гораздо |
труд |
||||||||||
нее. Однако |
принципиально |
к матрицам ориентирован |
ных графов применима теория, аналогичная теории для
неориентированных |
графов. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Отметим, что с |
понятием |
матриц |
тесно связано по |
|||||||||
нятие векторного |
линейного |
пространства, |
базиса |
и ли |
||||||||
нейной |
комбинации |
векторов. |
|
|
|
|
|
|
||||
Определение. Векторным |
пространством |
называется |
||||||||||
множество |
элементов |
(называемых |
векторами), |
в |
кото |
|||||||
ром для каждых |
|
двух |
векторов х и у |
однозначно |
опре |
|||||||
делена |
операция |
сложения, |
д а ю щ а я |
единственный |
век |
|||||||
тор х-\-у, |
называемый |
суммой, |
и задана операция умно |
|||||||||
жения |
вектора |
на |
действительное |
число |
(или на |
эле |
||||||
мент любого другого поля, например, |
поля |
комплексных |
||||||||||
чисел или целых |
чисел по модулю 2), которая |
любому |
||||||||||
вектору |
х ставит |
|
в соответствие единственный вектор ах |
|||||||||
для каждого числа а. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Д л я |
существования векторного |
|
пространства, |
для |
||||||||
любых |
векторов |
|
х, |
у и z из этого |
пространства |
и при |
||||||
любых |
числах a, |
b должны выполняться следующие ак |
||||||||||
сиомы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Векторы должны образовывать коммутативную груп |
||||||||||||
пу относительно |
сложения, т. е. |
|
|
|
|
|
1.х+у=у+х.
2. x+(y+z) |
= |
(x+y)+z. |
138 |
МАТРИЧНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФОВ |
|ГЛ. S |
|||
3. |
0 + А ' = х |
для всех х, |
где 0 |
обозначает нулевой |
вектор. |
4. |
К а ж д ы й |
вектор х |
имеет |
противоположный |
вектор |
у такой, что |
|
|
|
|
|
|
|
х+у=0. |
|
|
|
Д о л ж н ы выполняться |
следующие аксиомы умноже |
||||
ния на число. |
|
|
|
|
|
5. |
a (bx) = |
(ab)x. |
|
|
|
6.(a-\-b)x=ax-\-bx.
7. а(х-\-у) |
=ах-\-ау. |
|
|
|
|
8. Существует множество векторов, называемое |
ба |
||||
зисом. Векторы, принадлежащи е базису, линейно |
неза |
||||
висимы |
и стягивают пространство в |
том |
смысле, |
что |
|
к а ж д ы й |
вектор |
пространства может |
быть |
представлен |
линейной комбинацией базисных векторов. К а ж д ы й ба зис пространства содержит одно и тоже число векторов,
называемое |
рангом |
базиса. |
|
Д в а векторных |
пространства V и U |
называются изо |
|
морфными, |
если |
между их элементами |
можно устано |
вить взаимно однозначное соответствие, которое сохра
няет |
операцию сложения и умножения на |
число, т. е. |
||||
если |
i»i и t>2 |
— элементы |
V, а их и и2— соответствующие |
|||
элементы |
U, |
то ^ 1 + ^ 2 соответствует их-\-и2, |
аналогично, |
|||
ко соответствует ки, если v соответствует и, |
a |
k—про |
||||
извольное |
число. |
# |
|
|
В случае неориентированного графа элементами век торного пространства при матричном представлении яв ляются векторы, каждый из которых представляет под
множество |
ребер. Элементами |
этих векторов |
являются |
О или 1 в |
зависимости от того, |
принадлежит |
ли данное |
ребро рассматриваемому подмножеству или нет. В слу чае, когда ориентированный граф имеет т ребер, соот
ветствующее векторное пространство |
состоит из |
всех |
|||||||
векторов |
(хи |
хт), |
где xt=0 |
или |
1. i-я |
|
компонента |
||
соответствует |
г-му ребру, и |
к а ж д ы й вектор |
однозначно |
||||||
характеризует |
подмножество |
ребер, д л я которых |
. v,= l . |
||||||
В частности, |
к а ж д ы й |
цикл |
и |
разрез |
имеют |
векторное |
|||
представление. |
Сумма |
двух |
таких векторов |
т а к ж е |
явля |
||||
ется вектором |
того ж е |
вида. Их |
скалярное |
произведение |
|||||
(сумма |
произведений |
соответствующих |
компонент) |
рав- |