Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη

Transcript

1 Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Α. Συμβω νης Ε Μ Π Σ Ε Μ Φ Ε Τ Μ Φεβρουα ριος 2015 Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

2 Ταιρια σματα (Matchings) Ταίριασμα: Ένα υποσυ νολο M των ακμω ν ενο ς γραφη ματος G ονομα ζεται ταίριασμα στο G εα ν οι ακμε ς του M δεν ε χουν κοινε ς κορυφε ς Οι δυ ο κορυφε ς στα α κρα κα θε ακμη ς του M λε με ο τι ε χουν ταιριαστει στο M Κορεσμένη Κορυφή (Saturated): Έστω ε να ται ριασμα M σε ε να γρα φημα G. Μι α κορυφη u ονομα ζεται M-κορεσμένη εα ν μια ακμη του M προσπι πτει στην u. Διαφορετικα ονομα ζεται M-ακόρεστη Μέγιστο Ταίριασμα: Ένα ται ριασμα M του γραφη ματος G ονομα - ζεται μέγιστο ταίριασμα εα ν δεν υπα ρχει ται ριασμα M του G τε τοιο ω στε M > M Τέλειο Ταίριασμα: Εα ν ο λες οι κορυφε ς ενο ς γραφη ματος G ει ναι M-κορεσμε νες, το τε το M ονομα ζεται τέλειο ταίριασμα τε λειο ται ριασμα με γιστο ται ριασμα με γιστο ται ριασμα ται ριασμα Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

3 µ(g): Το πλη θος ακμω ν κα ποιου με γιστου ταιρια σματος M του γραφη ματος G. Λήμμα 9.1: Έστω γρα φημα G. Ισχυ ει ο τι χ(g) V(G) µ(g) Απόδειξη : Έστω M ε να με γιστο ται ριασμα του G (με µ(g) ακμε ς) Τα α κρα κα θε ακμη ς του M χρωματι ζονται με το ι διο χρω μα. Στο G δεν ενω νονται με ακμη µ(g) χρω ματα Οι υπο λοιπες V(G) 2µ(G) χρωματι ζονται με διαφορετικα χρω ματα V(G) 2µ(G) Συνολικα : V(G) 2µ(G) + µ(g) = V(G) µ(g) χρω ματα χ(g V(G) µ(g) Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

4 Λήμμα 9.2: Έστω γρα φημα G ο που V(G) = n και E(G) = m. Ισχυ ει ο τι µ(g) Απόδειξη : 2mn n+2m Γνωρι ζουμε ο τι για κα θε γρα φημα G ισχυ ει χ(g) n2 n 2 2m Για το G, συνεπω ς, ισχυ ει n 2 χ(g) n 2 2( n(n 1) 2 m) Απο Λη μμα 9.1 ισχυ ει: χ(g) n µ(g) µ(g) (1) n χ(g) (1) n = n 2 n 2 2( n(n 1) m) 2 n = n 2 n 2 n(n 1)+2m = n n 2 n 2 n 2 +n+2m = n n2 n+2m = n(n+2m) n2 n+2m = 2mn n+2m Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

5 M-εναλλασσόμενο μονοπάτι (alternating path): Έστω M ε να ται ριασμα στο γρα φημα G. Ένα μονοπα τι P στο G ονομα ζεται M-εναλλασσόμενο μονοπάτι εα ν οι ακμε ς του εναλλα σσονται μεταξυ των ακμω ν του E(G) M και του M M-επαυξανόμενο μονοπάτι (augmenting path): Ένα M-εναλλασσο μενο μονοπα τι του οποι ου τα τερματικα σημει α ει ναι ακο ρεστα u 1 v 1 u 2 v 2 v 1 u 1 v 2 u 3 v 3 : u 2 v 2 u 1 v 1 : εναλλασσο μενο μονοπα τι επαυξανο μενο μονοπα τι u 3 v 3 Θεώρημα 9.3[Berge,1957]: Έστω γρα φημα G και ται ριασμα M του G. Το M ει ναι ε να με γιστο ται ριασμα στο G ανν το G δεν περιε χει κανε να M-επαυξανο μενο μονοπα τι Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

6 Απόδειξη : [Με α τοπο] Έστω το M ει ναι με γιστο ται ριασμα και το G περιε χει ε να M-επαυξανο μενο μονοπα τι P με 2λ + 1 ακμε ς λ 1 P : v 0 v 1 v 2... v 2λ v 2λ+1 και (v 1, v 2 ), (v 3, v 4 ),..., (v 2λ 1, v 2λ ) M Έστω το ται ριασμα M =M {(v i, v i+1 ), i περιττο και 1 i 2λ 1} {(v i, v i+1 ), i α ρτιο και 0 i 2λ} M = M + 1 άτοπο γιατι το M ει ναι με γιστο [Με α τοπο] Έστω ο τι το G δεν περιε χει M-επαυξανο μενο μονοπα τι Έστω ο τι το M δεν ει ναι με γιστο και ε στω M ε να με γιστο ται ριασμα M > M Έστω H = G [M M ] ο που M M η συμμετρικη διαφορα των M και M M M M M M, M M M Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

7 Κα θε κορυφη του H ε χει βαθμο 1 η 2 [ει ναι το α κρο το πολυ μιας ακμη ς του M και το πολυ μιας ακμη ς του M ] Κα θε συνιστω σα του H ει ναι: Ει τε α ρτιος κυ κλος με ακμε ς να εναλλα σσονται μεταξυ των M και M η Μονοπα τι με ακμε ς να εναλλα σσονται μεταξυ των M και M Λο γω του ο τι M > M, το M περιε χει πιο πολλε ς ακμε ς απο το M Υπα ρχει ε να μονοπα τι-συνιστω σα P στο M M που περιε χει πιο πολλε ς ακμε ς του M Το μονοπα τι P ξεκινα ει και τελειω νει με ακμη του M Στο H το μονοπα τι P ε χει α κρα τα οποι α ει ναι M -κορεσμε να Στο G τα α κρα του μονοπατιου P ει ναι M-ακο ρεστα Υπα ρχει M-επαυξανο μενο μονοπατι στο G άτοπο γιατι υποθε σαμε ο τι το G δεν περιε χει M-επαυξανο μενο μονοπα τι Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

8 Ταιρια σματα σε Διμερη Γραφη ματα Θεώρημα 9.4[Hall, 1935]: Έστω G = (A, B, E) ε να διμερε ς γρα φημα. Το G περιε χει ε να ται ριασμα M τε τοιο ω στε κα θε κορυφη του A να ει ναι M-κορεσμε νη ανν N(S) > S για κα θε S A (1) Απόδειξη : Έστω ο τι το G περιε χει ε να ται ριασμα M τε τοιο ω στε κα θε κορυφη του A ει ναι M-κορεσμε νη Οι κορυφε ς του συνο λου S, S A, ταιρια ζονται στο M σε κορυφε ς του N(S) Συνεπω ς, N(S) S, S A Έστω ο τι το G ικανοποιει την (1) αλλα δεν υπα ρχει ται ριασμα M με ο λες τις κορυφε ς του A να ει ναι M-κορεσμε νες Έστω M ε να με γιστο ται ριασμα του G Οι κορυφε ς του A δεν ει ναι ο λες M -κορεσμε νες Έστω u μια M -ακο ρεστη κορυφη του A Έστω D οι κορυφε ς του G που ενω νονται με την u με σω M -εναλλασσο μενων μονοπατιω ν Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

9 Η u ει ναι η μο νη M -ακο ρεστη κορυφη του D [Απο Θ. 9.3 και επειδη το M ει ναι με γιστο ται ριασμα] Ορι ζουμε το S = D A και το T = D B D u S T A B Οι κορυφε ς του S {u} ταιρια ζονται με τις κορυφε ς του T. Άρα T = S 1 (2) Λο γω του ο τι κα θε κορυφη του N(S) ενω νεται με την u με σω ενο ς M -εναλλασσο μενου μονοπατιου ισχυ ει ο τι N(S) = T (3) (2),(3) N(S) = S 1 < S άτοπο γιατι υποθε σαμε ο τι N(S) S, S A Λήμμα 9.5: Έστω διμερε ς r-κανονικο γρα φημα G = (A, B, E). Το τε ισχυ ει ο τι A = B Απόδειξη : E = r A και E = r B Άρα, r A = r B A = B Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

10 Θεώρημα 9.6(marriage theorem): Έστω G = (A, B, E) ε να r-κανονικο διμερε ς γρα φημα, r 1. Ισχυ ει ο τι το G ε χει ε να τε λειο ται ριασμα Απόδειξη : Ισχυ ει ο τι A = B [απο Λη μμα 9.5] Έστω S A Ορι ζουμε ως E 1 :ακμε ς που προσπι πτουν στο S E 2 :ακμε ς που προσπι πτουν στο N(S) Εξ ορισμου του N(G) S E 1 E 2 A E r N(S) = E 2 E 1 = r S 1 N(S) S E 2 B N(S) Άρα απο το Θεω ρημα του Hall Το G ε χει ε να τε λειο ται ριασμα Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

11 Τε λεια Ταιρια σματα Λήμμα 9.7: Έστω ε να μεγιστοτικο γρα φημα G με α ρτιο βαθμο n το οποι ο δεν ε χει τε λειο ται ριασμα και ε στω U το συ νολο κορυφω ν του με βαθμο n 1. Το τε ισχυ ει ο τι το G U ει ναι η ε νωση ξε νων μεταξυ τους πλη ρων γραφημα των Απόδειξη [Με άτοπο]: Έστω ο τι υπα ρχει μια συνιστω σα του G U η οποι α δεν ει ναι πλη ρης Στην συνιστω σα υπα ρχουν κορυφε ς x, y, z: y (x, y) E(G), (y, z) E(G), (x, z) / E(G) Το ο τι y / U σημαι νει ο τι d(y) n 2 και α ρα υπα ρχει κορυφη w G U : (y, w) / E(G) x z Το G + e ε χει τε λειο ται ριασμα για κα θε e / E(G) [γιατι το G ει ναι μεγιστοτικο ] Έστω M 1 ε να τε λειο ται ριασμα στο G + (x, z) Έστω M 2 ε να τε λειο ται ριασμα στο G + (y, w) Έστω H το υπογρα φημα του G {(x, z), (y, w)} που παρα γεται απο τις ακμε ς του M 1 M 2 Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

12 Κα θε κορυφη του H ε χει βαθμο 2 [προσπι πτουν σε κα θε κορυφη μια ακμη του M 1 και μια του M 2 ] Το H ει ναι ε νωση ξε νων μεταξυ τους κυ κλων α ρτιου πλη θους κορυφω ν, με ακμε ς εναλλασσο μενες μεταξυ των M 1 και M 2 Περίπτωση 1: Οι (x, z) και (y, w) ανη κουν σε διαφορετικε ς συνιστω σες του H Έστω η (y, w) ανη κει στον κυ κλο C του H Οι ακμε ς του M 1 που ανη κουν στο C και οι ακμε ς του M 2 που δεν ανη κουν στο C ει ναι ε να τε λειο ται ριασμα του G άτοπο x y z M 1 M 2 Περίπτωση 2: Οι (x, z) και (y, w) ανη κουν στην ι δια συνιστω σα (κυ κλο) του H Έστω ο τι στον C οι κορυφε ς εμφανι ζονται με την σειρα : x,..., y, w,..., z x y z M 1 M 2 Οι ακμε ς του M 1 στο τμη μα y, w,..., z του C μαζι με την ακμη (y, z) και τις ακμε ς του M 2 στο τμη μα z, x,..., y του C και ο λες τις α λλες ακμε ς του M 2 στο H C σχηματι ζουν ε να τε λειο ται ριασμα στο G άτοπο Άρα, το G U αποτελει ται απο την ε νωση ξε νων μεταξυ τους πλη ρων γραφημα των Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

13 Θεώρημα 9.8[Tutte,1947]: Έστω γρα φημα G. Το G ε χει ε να τε λειο ται ριασμα ανν o(g S) S για κα θε S V(G), ο που με c( ) συμβολι ζουμε τον αριθμο των συνιστωσω ν περιττου βαθμου ενο ς γραφη ματος Απόδειξη [Από τον Lovász-1973]: Έστω ο τι το G ε χει ε να τε λειο ται ριασμα M Έστω S ε να γνη σιο υπολυ νολο του V(G) Έστω G 1, G 2..., G k οι περιττε ς συνιστω σες του G S Επειδη η συνιστω σα G i, 1 i k ε χει περιττο βαθμο, κα ποια κορυφη της u i ταιρια ζεται στο M με κα ποια κορυφη του S περιττές συνιστώσες του G S άρτιες συνιστώσες του G S G 1 u 1 G i u i G k u k v 1 v i v k S o(g S) = k = {v 1, v 2,..., v k } S λο γω του ο τι {v 1, v 2,..., v k } S Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

14 (Με α τοπο) Έστω ο τι o(g S) S για κα θε S V(G) αλλα το G δεν ε χει τε λειο ται ριασμα Έστω ε να μεγιστοτικο γρα φημα G το οποι ο δεν ε χει τε λειο ται ριασμα του οποι ου παραγο μενο υπογρα φημα ει ναι το G [V(G ) = V(G)] o(g S) o(g S) Άρα o(g S) S, S V(G ) (1) Για S = o(g S) 0 Το G ε χει α ρτιο πλη θος κορυφω ν Έστω U το συ νολο κορυφω ν του G που ε χουν βαθμο n 1 [V(G) = n] στο G Το γρα φημα G U αποτελει ται απο ε να συ νολο ξε νων μεταξυ τους πλη ρων γραφημα των [Λη μμα 9.7] Απο την (1) o(g U) U, δηλαδη το πολυ U απο τις συνιστω σες του G U ει ναι περιττου βαθμου Το G ε χει ε να τε λειο ται ριασμα! Ταιρια ζουμε μια κορυφη απο κα θε περιττη συνιστω σα με μια κορυφη του U. Ει ναι δυνατο γιατι o(g U) U Όλες οι υπο λοιπες κορυφε ς ταιρια ζονται αυθαι ρετα σε κα θε πλη ρη συνιστω σα περιττές συνιστώσες του G U U άρτιες συνιστώσες του G U άρτιο πλήθος κορυφών [γιατί;] άτοπο γιατι υποθε σαμε ο τι το G μεγιστοτικο χωρι ς τε λειο ται ριασμα Άρα το G ε χει τε λειο ται ριασμα Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

15 Πόρισμα 9.9: Κα θε 3-κανονικο γρα φημα δι χως γε φυρες ε χει ε να τε λειο ται ριασμα [Petersen,1891] Απόδειξη : Έστω G ε να γρα φημα χωρι ς γε φυρες Έστω συ νολο κορυφω ν S V(G) Έστω G!, G 2,..., G k οι περιττε ς συνιστω σες του G S Έστω m i, 1 i k ο αριθμο ς των ακμω ν με το ε να α κρο στο G i και το α λλο στο S Το γρα φημα G ει ναι 3-κανονικο περιττές συνιστώσες του G S d(v) = 3V(G i ), i = 1... k (1) G 1 G i G k v V(G i ) m 1 m i m k d(v) = 3 S (2) S v S m i = d(v) 2E(G i ) v V(G i ) Το m i ει ναι περιττο [κα θε συνιστω σα G i ει ναι περιττου βαθμου ] m i 1 λο γω του ο τι το G δεν ε χει γε φυρες m i 3 λο γω του ο τι m i 1 και περιττο άρτιες συνιστώσες του G S Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198

16 k o(g S) = k 1 3 m i i=1 1 d(v) (2) = S 3 v S Το G ε χει ε να τε λειο ται ριασμα [Θεω ρημα 9.8(Tutte)] Σημείωση: Υπα ρχουν 3-κανονικα γραφη ματα με γε φυρες τα οποι α δεν ε χουν τε λειο ται ριασμα. Απόδειξη : G: v Το γρα φημα G ει ναι 3-κανονικο με γε φυρες o(g {v} = 2 > {v} = 1 το οποι ο παραβια ζει την συνθη κη στο θεω ρημα του Tutte [Θ. 9.8] Α. Συμβω νης (ΕΜΠ) Θεωρι α Γραφημα των 9η Δια λεξη Φεβρουα ριος / 198