Формула Эйлера

Область, ограниченная ребрами в плоском графе, и не содержащая внутри себя вершин и ребер, называется гранью графа. Внешняя часть плоскости также образует грань. На рис. 4.47 изображен граф с 3 гранями.

Будем использовать следующие обозначения: n, m, f – соответственно число вершин, ребер и граней плоского графа.

 
 

Рис. 4.47

 

Теорема 4.13.1. (Теорема Эйлера, 1758 г.). Для всякого связного плоского графа верно равенство

nm+f=2, (4.6)

которое называется формулой Эйлера.

Доказательство. G – связный плоских n-вершинный граф. Рассмотрим некоторый остов Т этого графа. Очевидно, что дерево Т имеет одну грань (внешнюю) и n вершин. В то же время известно, что число ребер дерева Т равно n–1. Поэтому для графа Т формула (4.6) верна. Теперь будем поочередно добавлять к Т недостающие ребра графа G. При этом на каждом шаге число вершин не меняется, а число ребер и число граней увеличивается на единицу. Следовательно формула (4.6) будет верна для всякого графа, получающегося в результате таких операций, а потому она верна и для графа G, которым заканчивается вся эта процедура.

Из теоремы Эйлера вытекают следующие следствия.

Следствие 4.13.1. Число граней любой плоской укладки связного планарного графа постоянно и равно mn+2.

Другими словами, число f не зависит от способа укладки этого графа на плоскости.

Следствие 4.13.2. Для связного планарного графа m £3n-6 при n³3.

Формула Эйлера позволяет доказать непланарность некоторых графов.

Графом K5 называется граф с 5 вершинами, в котором каждая пара вершин соединена ребром.

Теорема 4.13.2. Граф K5 не планарен.

Доказательство. Допустим, что для графа K5 существует планарная реализация. Так как граф K5 связен, то для этой планарной реализации справедлива формула Эйлера nm+f =2. Поскольку в графе K5 имеем n=5 и m=10, то число всех граней должно равняться f=2–n+m=7. Пусть грани занумерованы 1, 2, ..., f и пусть при обходе i-ой грани по периметру (по ее краю) проходится mi ребер. Так как при этом каждое ребро проходится дважды (оно является стороной для двух граней), то . Но в каждой грани не менее 3 сторон. Поэтому mi³3 для всех i. Отсюда . Получаем 20 ³ 21 – противоречие. Значит, для графа K5 не существует планарной реализации.

Графом K3,3 называется граф с 6 вершинами a1, a2, a3, b1, b2, b3, в котором каждая вершина ai соединена ребром с каждой вершиной bj и нет других ребер.

С графом K3,3 связана следующая известная задача о трех домах и трех колодцах. Есть 3 дома и 3 колодца, но хозяева домов в большой вражде. Можно ли так проложить дорожки от каждого дома к каждому колодцу, чтобы они нигде не пересекались? Ответ на этот вопрос дает следующая теорема.

Теорема 4.13.3. Граф K3,3 не планарен.

Доказательство. Допустим, что для графа K3,3 существует планарная реализация. Так как граф K3,3 связен, то для этой планарной реализации справедлива формула Эйлера nm+f = 2. Поскольку в графе K3,3 имеем n=6 и m=9, то число всех граней должно равняться f=2–n+m=5. Так же, как в доказательстве предыдущей теоремы, получаем, что , где mi - число сторон в i-ой грани. Но в графе K3,3 нет циклов длины 3. Поэтому в каждой грани не менее 4 сторон. Следовательно, mi³4 для всех i. Отсюда . Получаем 18 ³ 20 - противоречие. Значит, для графа K3,3 не существует планарной реализации.

 

Критерии анализа планарности

 

Граф G1 называется подразбиением графа G, если G1 может быть получен из G несколькими подразбиениями ребер.

Графы G1 и G2 называются гомеоморфными, если оба они могут быть получены из одного и того же графа подразбиением его ребер.

Существует следующий критерий планарности.

Теорема 4.13.4. (Понтрягина-Куратовского). Для того чтобы граф G был планарным, необходимо и достаточно, чтобы он не содержал ни одного подграфа, гомеоморфного графам K5 или K3,3.

Эквивалентная форма критерия планарности описана в следующей теореме.

Теорема 4.13.5. (К. Вагнер, 1937 г.). Граф планарен тогда и только тогда, когда в нем нет подграфов, стягиваемых к графам К5 или К3,3.

Под стягиванием понимается последовательное отождествление вершин, связанных ребрами.

Рассмотренные критерии планарности таковы, что если даже удалось установить планарность графа, то нет информации о том, как строить его укладку на плоскости. В то же время для решения практических задач недостаточно знать, что граф планарен, а необходимо построить его плоское изображение. Появились алгоритмы, которые не только проверяют граф на планарность, но и одновременно строят его плоскую укладку, если это возможно. Одним из таких алгоритмов является следующий [1].

 








Дата добавления: 2015-04-10; просмотров: 2788;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.