Planárne a rovinné grafy

Σχετικά έγγραφα
Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Eulerovské grafy. Príklad Daný graf nie je eulerovský, ale obsahuje eulerovskú cestu (a, ab, b, bc, c, cd, d, da, a, ac, c, ce, e, ed, d, db).

4. decembra decembra 2003 Teria grafov 1

Tomáš Madaras Prvočísla

Ekvačná a kvantifikačná logika

Obvod a obsah štvoruholníka

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

ZÁKLADNÉ GEOMETRICKÉ TELESÁ. Hranolová plocha Hranolový priestor Hranol

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

Matematika 2. časť: Analytická geometria

Katolícka univerzita v Ružomberku, Pedagogická fakulta TEÓRIA GRAFOV. ( História matematiky referát ) Mária Házyová. M I Nv

Priamkové plochy. Ak každým bodom plochy Φ prechádza aspoň jedna priamka, ktorá (celá) na nej leží potom plocha Φ je priamková. Santiago Calatrava

x x x2 n

Teória grafov I definícia grafu, základné pojmy, podgraf, cesty a kružnice v grafe, orientované grafy, eulerovský ťah, hamiltonovská kružnica

ARCHIMEDOVSKÉ MNOHOSTENY VESELO I VÁŽNE

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

24. Základné spôsoby zobrazovania priestoru do roviny

1-MAT-220 Algebra februára 2012

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

7. Dokážte, že z každej nekonečnej množiny môžeme vydeliť spočítateľnú podmnožinu.

Povrch a objem ihlana

Matematika 2. časť: Funkcia viac premenných Letný semester 2013/2014

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

FUNKCIE N REÁLNYCH PREMENNÝCH

Lineárna algebra I - pole skalárov, lineárny priestor, lineárna závislosť, dimenzia, podpriestor, suma podpriestorov, izomorfizmus

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

Funkcie - základné pojmy

Start. Vstup r. O = 2*π*r S = π*r*r. Vystup O, S. Stop. Start. Vstup P, C V = P*C*1,19. Vystup V. Stop

VLASTNÉ ČÍSLA A JORDANOV KANONICKÝ TVAR. Michal Zajac. 3 T b 1 = T b 2 = = = 2b

Povrch a objem hranola

MIDTERM (A) riešenia a bodovanie

stereometria - študuje geometrické útvary v priestore.

Automaty a formálne jazyky

1. písomná práca z matematiky Skupina A

2. prednáška. Teória množín I. množina operácie nad množinami množinová algebra mohutnosť a enumerácia karteziánsky súčin

7 Derivácia funkcie. 7.1 Motivácia k derivácii

Teória pravdepodobnosti

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Metodicko pedagogické centrum. Národný projekt VZDELÁVANÍM PEDAGOGICKÝCH ZAMESTNANCOV K INKLÚZII MARGINALIZOVANÝCH RÓMSKYCH KOMUNÍT

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

BANACHOVE A HILBERTOVE PRIESTORY

Goniometrické substitúcie

Symbolická logika. Stanislav Krajči. Prírodovedecká fakulta

MATEMATICKÁ ANALÝZA 1

Fakulta riadenia a informatiky Žilinskej univerzity

ALGORITMICKÁ TEÓRIA GRAFOV

Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej x. Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej y. Ak existuje limita.

Deliteľnosť a znaky deliteľnosti

3. kapitola. Axiomatická formulácia modálnej logiky Vzťah medzi syntaxou a sémantikou. priesvitka 1

Pevné ložiská. Voľné ložiská

9 Planimetria. 9.1 Uhol. Matematický kufrík

Gramatická indukcia a jej využitie

Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia 1

Integrovanie racionálnych funkcií

1 Úvod Predhovor Sylaby a literatúra Základné označenia... 3

16. Základne rovinné útvary kružnica a kruh

Motivácia pojmu derivácia

Technická univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky MATEMATIKA II. Zbierka riešených a neriešených úloh

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Margita Vajsáblová. ρ priemetňa, s smer premietania. Súradnicová sústava (O, x, y, z ) (O a, x a, y a, z a )

Reálna funkcia reálnej premennej

Matematická logika. Emília Draženská Helena Myšková

4. Výrokové funkcie (formy), ich definičný obor a obor pravdivosti

Príklady na precvičovanie Fourierove rady

3. prednáška. Komplexné čísla

23. Zhodné zobrazenia

ZÁPISKY Z MATEMATICKEJ ANALÝZY 1

Aproximačné algoritmy. (7. októbra 2010) DRAFT

4 Reálna funkcia reálnej premennej a jej vlastnosti

Algoritmy teórie grafov

FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY UNIVERZITA KOMENSKÉHO. Pavol Ďuriš. Výpočtová zložitosť

Logické systémy. doc. RNDr. Jana Galanová, PhD. RNDr. Peter Kaprálik, PhD. Mgr. Marcel Polakovič, PhD.

Ján Buša Štefan Schrötter

DISKRETNA MATEMATIKA - PREDAVANJE 7 - Jovanka Pantović

Vlastnosti nekonečných slov generovaných pomocou DGSM (diplomová práca)

HASLIM112V, HASLIM123V, HASLIM136V HASLIM112Z, HASLIM123Z, HASLIM136Z HASLIM112S, HASLIM123S, HASLIM136S

Polynómy. Hornerova schéma. Algebrické rovnice

Kompilátory. Cvičenie 6: LLVM. Peter Kostolányi. 21. novembra 2017

PRIEMER DROTU d = 0,4-6,3 mm

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY RIGORÓZNA PRÁCA. Martin Samuelčík

11. prednáška ( ) Najkratšie cesty (v grafe)

zlomok poznatel nej časti skutočnosti. Robí tak prostredníctvom svojich pojmov (tento proces môžeme nazvat formalizácia), jej hlavnou úlohou je potom

Obsah. 1.1 Reálne čísla a ich základné vlastnosti Komplexné čísla... 8

Povrch a objem zrezaného ihlana

Prirodzené čísla. Kardinálne čísla

Teória funkcionálneho a logického programovania

Zobrazenia v rovine. Každé zhodné zobrazenie v rovine je prosté a existuje k nemu inverzné zobrazenie.

Spojitosť a limity trochu inak

Výroky, hypotézy, axiómy, definície a matematické vety

G. Monoszová, Analytická geometria 2 - Kapitola III

Vektorový priestor V : Množina prvkov (vektory), na ktorej je definované ich sčítanie a ich

Život vedca krajší od vysnívaného... s prírodou na hladine α R-P-R

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

DESKRIPTÍVNA GEOMETRIA

Vybrané partie z logiky

Vybrané partie z logiky

Mini minimaliz acia an BUˇ Koˇ sice 2011

Transcript:

Planárne a rovinné grafy Definícia Graf G sa nazýva planárny, ak existuje jeho nakreslenie D, v ktorom sa žiadne dve hrany nepretínajú. D sa potom nazýva rovinný graf.

Planárne a rovinné grafy Definícia Graf G sa nazýva planárny, ak existuje jeho nakreslenie D, v ktorom sa žiadne dve hrany nepretínajú. D sa potom nazýva rovinný graf. Príklad Dve nakreslenia grafu K 4 : Nakreslenie vľavo je planárne, ale nie rovinné.

História - rekreačná matematika, problém štyroch farieb (19. stor.)

História - rekreačná matematika, problém štyroch farieb (19. stor.) Problém piatich kráľovstiev (A.F. Möbius, 1840) Istý kráľ mal 5 synov; podľa jeho vôle mali synovia po jeho smrti rozdeliť kráľovstvo na 5 častí tak, aby každá časť mala spoločnú hranicu so všetkými ostatnými časťami (pozn. hranica nesmie pozostávať z "jediného bodu"). Je to možné?

História - rekreačná matematika, problém štyroch farieb (19. stor.) Problém piatich kráľovstiev (A.F. Möbius, 1840) Istý kráľ mal 5 synov; podľa jeho vôle mali synovia po jeho smrti rozdeliť kráľovstvo na 5 častí tak, aby každá časť mala spoločnú hranicu so všetkými ostatnými časťami (pozn. hranica nesmie pozostávať z "jediného bodu"). Je to možné? Problém služieb (utility problem, H. Dudeney, 1913) Do troch rôznych domov treba zaviesť elektrinu, plyn a vodu z troch výrobní tak, aby sa jednotlivé vedenia nekrížili. Je to možné?

História - rekreačná matematika, problém štyroch farieb (19. stor.) Problém piatich kráľovstiev (A.F. Möbius, 1840) Istý kráľ mal 5 synov; podľa jeho vôle mali synovia po jeho smrti rozdeliť kráľovstvo na 5 častí tak, aby každá časť mala spoločnú hranicu so všetkými ostatnými časťami (pozn. hranica nesmie pozostávať z "jediného bodu"). Je to možné? Problém služieb (utility problem, H. Dudeney, 1913) Do troch rôznych domov treba zaviesť elektrinu, plyn a vodu z troch výrobní tak, aby sa jednotlivé vedenia nekrížili. Je to možné? Problém štyroch farieb (F. Guthrie, 1852) Je možné štáty každej politickej mapy zafarbiť pomocou najviac štyroch farieb tak, aby žiadne dva štáty so spoločnou hranicou nemali tú istú farbu?

Z geometrického hľadiska je rovinný graf G nejaká množina bodov roviny (tvorená jednoduchými krivkami, ktoré majú spoločné koncové body). Množina R 2 \ G potom pozostáva z niekoľkých súvislých otvorených množín, ktoré sa nazývajú steny. Z nich je práve jedna neohraničená; táto sa nazýva vonkajšia stena G, ostatné steny sú vnútorné steny. Množinu všetkých stien G označujeme F (G).

Z geometrického hľadiska je rovinný graf G nejaká množina bodov roviny (tvorená jednoduchými krivkami, ktoré majú spoločné koncové body). Množina R 2 \ G potom pozostáva z niekoľkých súvislých otvorených množín, ktoré sa nazývajú steny. Z nich je práve jedna neohraničená; táto sa nazýva vonkajšia stena G, ostatné steny sú vnútorné steny. Množinu všetkých stien G označujeme F (G). Pre rovinný graf G možno tiež definovať binárnu reláciu susednosti stien na množine F (G) (dve steny sú susedné, ak majú spoločnú hranu) a binárne relácie incidencie stien s vrcholmi resp. hranami (presná definícia využíva topologický pojem hranice množiny: vrchol resp. hrana incidujú so stenou, ak sú časťou jej hranice).

Príklad Stena α inciduje s vrcholmi a, b, c a s hranami ab, bc, ca; stena β inciduje s vrcholmi b, c, d, e a s hranami bc, be, cd, de. Stena γ inciduje so všetkými vrcholmi a so všetkými hranami okrem hrany bc.

Definícia Nech G je rovinný graf a α F (G). Stupeň steny α je počet hrán incidentných s α, pričom každý most sa započítava dvakrát.

Definícia Nech G je rovinný graf a α F (G). Stupeň steny α je počet hrán incidentných s α, pričom každý most sa započítava dvakrát. Príklad Stena α má stupeň 3, stena β štyri a stena γ 15.

Lema Nech G je rovinný graf s m hranami. Potom deg(f) = 2m. f F (G)

Lema Nech G je rovinný graf s m hranami. Potom deg(f) = 2m. f F (G) Dôkaz: Ak hrana e rovinného grafu G je most, tak do stupňa incidujúcej steny sa započíta dvakrát. Každá iná hrana rovinného grafu sa započíta raz do stupňa každej z dvoch stien, ktoré s ňou incidujú. Teda celkovo je každá hrana v deg(f) započítaná dvakrát. f F (G)

Veta (Euler 1752) Nech G je súvislý rovinný graf s n vrcholmi, m hranami a s stenami. Potom n + s = m + 2.

Veta (Euler 1752) Nech G je súvislý rovinný graf s n vrcholmi, m hranami a s stenami. Potom n + s = m + 2. Dôkaz: matematickou indukciou podľa počtu k kružníc grafu.

Veta (Euler 1752) Nech G je súvislý rovinný graf s n vrcholmi, m hranami a s stenami. Potom n + s = m + 2. Dôkaz: matematickou indukciou podľa počtu k kružníc grafu. 1 : Ak k = 0, tak graf G je strom (je súvislý a bez kružníc), teda platí m = n 1. Ďalej, každý rovinný diagram G má jedinú stenu

Veta (Euler 1752) Nech G je súvislý rovinný graf s n vrcholmi, m hranami a s stenami. Potom n + s = m + 2. Dôkaz: matematickou indukciou podľa počtu k kružníc grafu. 1 : Ak k = 0, tak graf G je strom (je súvislý a bez kružníc), teda platí m = n 1. Ďalej, každý rovinný diagram G má jedinú stenu (to sa dokáže napr. matematickou indukciou podľa počtu vrcholov stromu: tvrdenie zrejme platí pre izolovaný vrchol. Každý väčší strom T obsahuje visiaci vrchol x incidentný s hranou xy; po jeho odobratí získame menší strom T x, ktorý má podľa indukčného predpokladu rovinné nakreslenie. Visiaci vrchol x potom možno pridať späť do "malého" okolia y tak, aby hrana s ním incidentná nepretínala iné hrany).

Veta (Euler 1752) Nech G je súvislý rovinný graf s n vrcholmi, m hranami a s stenami. Potom n + s = m + 2. Dôkaz: matematickou indukciou podľa počtu k kružníc grafu. 1 : Ak k = 0, tak graf G je strom (je súvislý a bez kružníc), teda platí m = n 1. Ďalej, každý rovinný diagram G má jedinú stenu (to sa dokáže napr. matematickou indukciou podľa počtu vrcholov stromu: tvrdenie zrejme platí pre izolovaný vrchol. Každý väčší strom T obsahuje visiaci vrchol x incidentný s hranou xy; po jeho odobratí získame menší strom T x, ktorý má podľa indukčného predpokladu rovinné nakreslenie. Visiaci vrchol x potom možno pridať späť do "malého" okolia y tak, aby hrana s ním incidentná nepretínala iné hrany). Teda platí n + s = n + 1 = (n 1) + 2 = m + 2.

2 : Nech tvrdenie platí pre všetky súvislé rovinné grafy s menej ako k kružnicami a nech G je súvislý rovinný graf, ktorý má k > 0 kružníc. Potom existuje hrana e patriaca nejakej kružnici v G.

2 : Nech tvrdenie platí pre všetky súvislé rovinné grafy s menej ako k kružnicami a nech G je súvislý rovinný graf, ktorý má k > 0 kružníc. Potom existuje hrana e patriaca nejakej kružnici v G. Graf G e je súvislý (odobratie kružnicovej hrany súvislosť nepokazí), rovinný (je podgrafom rovinného grafu G), má n = n vrcholov, m = m 1 hrán a s = s 1 stien (e inciduje s dvoma stenami, ktoré sa po odstránení e spoja do jedinej steny).

2 : Nech tvrdenie platí pre všetky súvislé rovinné grafy s menej ako k kružnicami a nech G je súvislý rovinný graf, ktorý má k > 0 kružníc. Potom existuje hrana e patriaca nejakej kružnici v G. Graf G e je súvislý (odobratie kružnicovej hrany súvislosť nepokazí), rovinný (je podgrafom rovinného grafu G), má n = n vrcholov, m = m 1 hrán a s = s 1 stien (e inciduje s dvoma stenami, ktoré sa po odstránení e spoja do jedinej steny). Podľa indukčného predpokladu potom platí n + s = m + 2, z čoho n + (s 1) = (m 1) + 2, teda n + s = m + 2.

Dôsledok Graf K 5 nie je planárny.

Dôsledok Graf K 5 nie je planárny. Dôkaz: Sporom - nech existuje rovinné nakreslenie grafu K 5. Toto nakreslenie má potom 5 vrcholov a 10 hrán, teda má 10 + 2 5 = 7 stien.

Dôsledok Graf K 5 nie je planárny. Dôkaz: Sporom - nech existuje rovinné nakreslenie grafu K 5. Toto nakreslenie má potom 5 vrcholov a 10 hrán, teda má 10 + 2 5 = 7 stien. Každá stena inciduje s aspoň tromi hranami, preto deg(x) 7 3 = 21. Zároveň však x F (K 5 ) deg(x) = 2 E(K 5 ) = 2 10 = 20, čo je spor. x F (K 5 )

Dôsledok Graf K 3,3 nie je planárny.

Dôsledok Graf K 3,3 nie je planárny. Dôkaz: Sporom - nech existuje rovinné nakreslenie grafu K 3,3. Toto nakreslenie má potom 6 vrcholov a 9 hrán, teda má 9 + 2 6 = 5 stien.

Dôsledok Graf K 3,3 nie je planárny. Dôkaz: Sporom - nech existuje rovinné nakreslenie grafu K 3,3. Toto nakreslenie má potom 6 vrcholov a 9 hrán, teda má 9 + 2 6 = 5 stien. Keďže K 3,3 je bipartitný graf, tak neobsahuje kružnice dĺžky 3 a teda každá stena inciduje s aspoň štyrmi hranami; preto deg(x) 5 4 = 20. Zároveň však x F (K 3,3 ) deg(x) = 2 E(K 3,3 ) = 2 9 = 18, čo je spor. x F (K 3,3 )

Dôsledok Nech n 3 a nech G je planárny n-vrcholový graf s m hranami. Potom m 3n 6, pričom rovnosť nastáva práve vtedy, keď každá stena G má stupeň 3.

Dôsledok Nech n 3 a nech G je planárny n-vrcholový graf s m hranami. Potom m 3n 6, pričom rovnosť nastáva práve vtedy, keď každá stena G má stupeň 3. Dôkaz: stačí dokazovať pre súvislé grafy. Uvažujme rovinné nakreslenie G, ktoré má s stien. Každá stena G inciduje s aspoň tromi hranami, preto deg(f) 3 = 3s. f F (G) f F (G)

Dôsledok Nech n 3 a nech G je planárny n-vrcholový graf s m hranami. Potom m 3n 6, pričom rovnosť nastáva práve vtedy, keď každá stena G má stupeň 3. Dôkaz: stačí dokazovať pre súvislé grafy. Uvažujme rovinné nakreslenie G, ktoré má s stien. Každá stena G inciduje s aspoň tromi hranami, preto deg(f) 3 = 3s. Na druhej f F (G) f F (G) strane, deg(x) = 2m, teda platí 2m 3s. Podľa Eulerovej f F (G) vety je n + s = m + 2, teda 3n + 3s = 3m + 6.

Dôsledok Nech n 3 a nech G je planárny n-vrcholový graf s m hranami. Potom m 3n 6, pričom rovnosť nastáva práve vtedy, keď každá stena G má stupeň 3. Dôkaz: stačí dokazovať pre súvislé grafy. Uvažujme rovinné nakreslenie G, ktoré má s stien. Každá stena G inciduje s aspoň tromi hranami, preto deg(f) 3 = 3s. Na druhej f F (G) f F (G) strane, deg(x) = 2m, teda platí 2m 3s. Podľa Eulerovej f F (G) vety je n + s = m + 2, teda 3n + 3s = 3m + 6. Z toho vyplýva 3m + 6 3n + 2m, teda m 3n 6. Rovnosť nastáva práve vtedy, keď 2m = 3s, čo je práve vtedy, keď každá stena G má stupeň rovný 3.

Dôsledok Každý planárny graf obsahuje vrchol stupňa najviac 5; hranica 5 je najlepšia možná.

Dôsledok Každý planárny graf obsahuje vrchol stupňa najviac 5; hranica 5 je najlepšia možná. Dôkaz: Nech G je n-vrcholový planárny graf s m hranami. Potom n δ = δ deg(x) = 2m 2(3n 6) = 6n 12 x V (G) x V (G) teda z čoho vyplýva δ 5. δ 6n 12 n = 6 12 n < 6

Dôsledok Každý planárny graf obsahuje vrchol stupňa najviac 5; hranica 5 je najlepšia možná. Dôkaz: Nech G je n-vrcholový planárny graf s m hranami. Potom n δ = δ deg(x) = 2m 2(3n 6) = 6n 12 teda x V (G) x V (G) δ 6n 12 n = 6 12 n < 6 z čoho vyplýva δ 5. Graf pravidelného dvadsaťstena je rovinný a 5-regulárny, teda hranica 5 v tvrdení je najlepšia možná.

Dôsledok Existuje práve päť pravidelných mnohostenov: pravidelný štvorsten, kocka, osemsten, dvanásťsten a dvadsaťsten:

Dôkaz: Ak je mnohosten M pravidelný, tak jeho graf G(M) je rovinný, p-regulárny a každá stena má stupeň q (pre nejaké p, q).

Dôkaz: Ak je mnohosten M pravidelný, tak jeho graf G(M) je rovinný, p-regulárny a každá stena má stupeň q (pre nejaké p, q). Nech G(M) má n vrcholov, m hrán a s stien. Platí 2m = np, 2m = sq. Po vyjadrení n, s a dosadení do Eulerovho vzorca dostávame 2m p + 2m q m = 2 ( 2 m p + 2 ) q 1 = 2

Dôkaz: Ak je mnohosten M pravidelný, tak jeho graf G(M) je rovinný, p-regulárny a každá stena má stupeň q (pre nejaké p, q). Nech G(M) má n vrcholov, m hrán a s stien. Platí 2m = np, 2m = sq. Po vyjadrení n, s a dosadení do Eulerovho vzorca dostávame 2m p + 2m q m = 2 ( 2 m p + 2 ) q 1 = 2 Je teda 2 p + 2 q 1, z čoho 1 p + 1 q > 1 2. Teda nemôže súčasne platiť p 4, q 4; z toho dostávame, že (p, q) je niektorá z piatich dvojíc:

(3, 3): pravidelný štvorsten (3, 4): kocka (3, 5): pravidelný dvanásťsten (4, 3): pravidelný osemsten (5, 3): pravidelný dvadsaťsten

Definícia Graf H je podrozdelením grafu G, ak ho možno získať z G pridaním vrcholov stupňa 2 na hrany G (t.j. nahradením hrán G cestami).

Definícia Graf H je podrozdelením grafu G, ak ho možno získať z G pridaním vrcholov stupňa 2 na hrany G (t.j. nahradením hrán G cestami). Príklad Prostredný graf je podrozdelením ľavého, avšak graf napravo nie.

Definícia Graf H je podrozdelením grafu G, ak ho možno získať z G pridaním vrcholov stupňa 2 na hrany G (t.j. nahradením hrán G cestami). Príklad Prostredný graf je podrozdelením ľavého, avšak graf napravo nie. Veta (Kuratowski 1930) Graf je planárny práve vtedy, keď neobsahuje ako podgraf podrozdelenie grafu K 5 ani K 3,3.