Вложения графов
[114/94%]Докажите теорему 8.3 (формула Эйлера для плоских графов): если связный плоский граф порядка и размера имеет областей, то .
Покажите, что если плоский граф порядка и размера имеет областей и компонент, то .
Проверьте формулу Эйлера для плоских графов, изображённых на рис. 8-12:
Fig. 8-12
графа на панели (a);
графа на панели (b).
Найдите степени границ областей графов, изображённых на рис. 8-12 (см. задачу 8.3):
графа на панели (a);
графа на панели (b).
Покажите, что плоский граф 2-связен тогда и только тогда, когда граница каждой области является циклом.
Пусть — граф с числом вершинной связности , и пусть — две вершины, такие что несвязен и имеет компоненты , где и . Для каждого граф — это граф, порождённый множеством , если вершины и смежны в . Если эти две вершины несмежны, — граф, порождённый вместе с ребром , соединяющим и . Семейство называется гамачным разложением относительно разделяющего множества . Найдите гамачное разложение графа на рис. 8-13(a) относительно вершин и , указанных на диаграмме.
Fig. 8-13
Покажите, что граф с планарен тогда и только тогда, когда каждый граф гамачного разложения графа относительно любого разделяющего множества, состоящего из двух вершин, планарен.
Покажите, что любая триангуляция с не менее чем четырьмя вершинами 3-связна.
Если — множество блоков, а — множество точек сочленения графа , то блок-точечный граф (BC-граф) графа — это двудольный граф , в котором ребро, соединяющее блок и точку сочленения , существует тогда и только тогда, когда — вершина блока . Постройте BC-граф графа , изображённого на рис. 8-14(a).
Покажите, что если граф связен, то его BC-граф является деревом.
Блок графа называется концевым блоком, если содержит ровно одну точку сочленения. Покажите, что если граф имеет точку сочленения, то он имеет по меньшей мере два концевых блока.
Покажите, что граф планарен тогда и только тогда, когда каждый его блок планарен.
Fig. 8-14
Докажите теорему 8.4: число рёбер в триангуляции порядка (где ) равно .
Fig. 8-15
Покажите, что число рёбер в простом планарном графе порядка не превышает .
Докажите теорему 8.5: графы и оба непланарны.
Покажите, что в простом планарном графе существует по меньшей мере четыре вершины со степенью не более 5. В частности, у каждого выпуклого многогранника есть по меньшей мере четыре вершины, смежные с тремя, четырьмя или пятью вершинами.
Приведите пример простого связного планарного графа, в котором степень каждой вершины не менее 5.
Приведите пример простого связного планарного графа, в котором степень каждой вершины равна ровно 4.
Покажите, что если простой граф имеет не менее 11 вершин, то и его дополнение не могут быть планарными графами одновременно.
Пусть — число вершин степени в триангуляции порядка . Установите соотношение , где — максимальная степень в .
Покажите, что у каждого выпуклого многогранника есть по меньшей мере одна грань, граница которой состоит из трёх, четырёх или пяти рёбер. (Это аналогично факту, установленному в задаче 8.16, что у каждого выпуклого многогранника есть вершина, смежная с тремя, четырьмя или пятью вершинами.)
Покажите, что общее число вершин степени 3 и граней степени 3 в выпуклом многограннике не менее восьми.
Покажите, что существует только пять правильных многогранников.
Покажите, что у любого многогранного графа найдутся две смежные вершины, сумма степеней которых не превышает 13.
Граф называется минимально непланарным, если каждый его собственный подграф планарен. Покажите, что минимально непланарный граф является блоком.
Пусть — непланарный граф, не имеющий -подграфа, такой что размер любого другого непланарного графа, не имеющего -подграфа, больше размера . Покажите, что 3-связен.
Покажите, что если — 3-связный граф с не менее чем пятью вершинами, то у него есть ребро , такое что 3-связен.
Покажите, что если стягивание графа имеет -подграф, то и имеет его.
Покажите, что если 3-связный граф не имеет -подграфа, то он обладает выпуклой прямолинейной укладкой на плоскости.
Покажите, что 3-связность необходима в теореме Тутта.
Fig. 8-18
Докажите теорему 8.6 (теорема Куратовского—Понтрягина): граф планарен тогда и только тогда, когда он не имеет -подграфа.
Докажите теорему 8.1 (теорема Фари—Штейна—Вагнера): любой простой планарный граф обладает прямолинейным представлением: он имеет укладку на плоскости, в которой каждое ребро изображается прямой линией.
(Граф конфликтов графа относительно одного из его циклов) Пусть — цикл в графе . Кусок графа относительно — это либо подграф, состоящий из ребра (в ), соединяющего две несмежные вершины цикла , либо подграф, образованный компонентой графа и всеми рёбрами графа , инцидентными вершинам . Вершина куска называется контактной вершиной куска , если — вершина цикла. Любой кусок, содержащий более одной контактной вершины, называется сегментом графа относительно . Два сегмента и находятся в конфликте, если ребро из и ребро из обязательно пересекаются (не в вершине), когда эти два сегмента укладываются по одну сторону (внутреннюю или внешнюю) от . Пусть — множество всех сегментов относительно цикла . Граф конфликтов с в качестве множества вершин строится следующим образом. Два сегмента соединяются ребром тогда и только тогда, когда они находятся в конфликте. Постройте граф конфликтов, показанный на рис. 8-19(a), относительно цикла .
Покажите, что если граф содержит или в качестве подграфа, то в существует цикл, относительно которого граф конфликтов не является двудольным.
Покажите, что граф планарен тогда и только тогда, когда его граф конфликтов относительно каждого его цикла двудолен.
Докажите, что граф конфликтов относительно любого цикла графа, изображённого на рис. 8-19(a), двудолен.
Покажите, что граф Хивуда (см. рис. 7-25) непланарен.
Покажите, что дополнение 3-мерного куба непланарно.
Приведите пример двух гомеоморфных образов графа, ни один из которых не является гомеоморфным образом другого.
Покажите, что если граф имеет в качестве подстягивания, то непланарен.
Покажите, что если граф имеет в качестве подстягивания, то непланарен.
Докажите теорему 8.7 (теорема Харари—Тутта—Вагнера): граф планарен тогда и только тогда, когда ни , ни не являются подстягиванием графа . (Иными словами, граф планарен тогда и только тогда, когда он не имеет подграфа, стягиваемого к или .)
Используя формулу Эйлера, покажите, что граф Петерсена непланарен.
Покажите, что граф Петерсена непланарен, установив, что он имеет -подграф.
Покажите, что граф Петерсена непланарен, показав, что граф конфликтов относительно одного из его циклов не является двудольным.
Покажите, что граф Петерсена непланарен, показав, что он стягиваем к .
(Теорема Х. Пейтона Янга) Покажите, что 4-связный граф непланарен тогда и только тогда, когда он имеет в качестве подстягивания.
Планарный граф называется внешнепланарным, если он обладает укладкой на плоскости, при которой каждая вершина графа принадлежит границе одной и той же (как правило, внешней) области. Покажите, что граф внешнепланарен тогда и только тогда, когда он не имеет подграфа, являющегося гомеоморфным образом или . (Эти два полных графа являются «запрещёнными графами» для внешнепланарности и играют примерно ту же роль, что и играют в вопросах, связанных с планарностью.)
Покажите, что граф внешнепланарен тогда и только тогда, когда ни , ни не являются подстягиванием графа .
Внешнепланарный граф называется максимальным внешнепланарным, если он теряет внешнепланарность при добавлении ребра, соединяющего любые две несмежные вершины. Пусть — внешнепланарный граф порядка и размера с областями. Покажите, что выполняются следующие свойства:
и ,
существует по меньшей мере три вершины степени не более 3,
существует по меньшей мере две вершины степени 2,
число вершинной связности .
Покажите, что три условия, перечисленные в задаче 8.50, необходимы, но не достаточны для того, чтобы граф был максимальным внешнепланарным.
Два ребра графа образуют пересечение, если существует такая укладка графа, при которой эти два ребра пересекаются в точке, не являющейся вершиной. Если два ребра встречаются в точке пересечения, третье ребро не должно проходить через эту точку пересечения и не должно пересекать ни одно из этих двух рёбер в другой точке. Минимальное число пересечений рёбер среди всех укладок графа , удовлетворяющих этому требованию, называется его числом пересечений , которое равно нулю, если планарен. Найдите числа пересечений графов и .
Граф называется -дольным, если существует разбиение на подмножеств , такое что каждое ребро из соединяет некоторую вершину из с некоторой вершиной из , где . Если каждое содержит вершин и если между каждой вершиной из (для каждого ) и каждой вершиной из для каждого (где ) есть ребро, мы получаем полный -дольный граф . Найдите число пересечений графа .
Найдите число пересечений графа Петерсена.
Толщиной графа называется минимальное число попарно рёберно непересекающихся остовных подграфов в разложении графа. Найдите толщину полного графа с вершинами, где .
Найдите толщину графа Петерсена.
Граф называется бипланарным, если его толщина равна 2. Покажите, что если — произвольный непланарный граф, существует бипланарный граф , являющийся гомеоморфным образом .
Если граф с вершинами имеет рёбер, покажите, что его толщина . Если граф двудолен, покажите, что .
Найдите нижнюю оценку толщины полного графа порядка , где , используя результат задачи 8.58.
Найдите нижнюю оценку толщины полного двудольного графа , используя результат задачи 8.58.
Покажите, что не существует плоского графа с пятью областями, такого что между каждой парой областей есть ребро.
Покажите, что планарный граф двудолен тогда и только тогда, когда его двойственный граф эйлеров.
Покажите, что если — геометрически двойственный граф связного планарного графа , то является геометрически двойственным графу .
Покажите, что если планарный граф 3-рёберно-связен, его геометрически двойственный граф прост.
Покажите, что множество рёбер связного плоского графа образует остовное дерево тогда и только тогда, когда множество двойственных рёбер оставшихся рёбер образует остовное дерево в геометрически двойственном графе.
Покажите, что множество рёбер плоского графа образует цикл тогда и только тогда, когда множество двойственных рёбер образует разрезающее множество в геометрически двойственном графе.
Покажите, что геометрически двойственный граф любого планарного графа совпадает с абстрактно двойственным графом .
Покажите, что число рёбер, общих для цикла и разрезающего множества графа, всегда чётно.
Пусть — множество рёбер графа . Покажите, что:
если имеет чётное число рёбер, общих с каждым разрезающим множеством графа, то рёбра образуют рёберно непересекающееся объединение циклов,
если имеет чётное число рёбер, общих с каждым циклом графа, то рёбра образуют рёберно непересекающееся объединение разрезающих множеств.
Покажите, что если — абстрактно двойственный граф , то — абстрактно двойственный граф . (Заметим, что здесь не обязательно связен, в отличие от задачи 8.63.)
Приведите пример плоского графа, для которого геометрически двойственный граф геометрически двойственного графа и абстрактно двойственный граф абстрактно двойственного графа не совпадают.
Покажите, что ни один из следующих графов не имеет абстрактно двойственного графа:
.
Покажите, что если граф имеет абстрактно двойственный граф, каждый подграф также имеет абстрактно двойственный граф.
Покажите, что если — гомеоморфный образ и имеет абстрактно двойственный граф, то также имеет абстрактно двойственный граф.
Докажите теорему 8.8 (теорема Уитни): граф планарен тогда и только тогда, когда он имеет абстрактно двойственный граф.
Докажите теорему 8.10 (теорема Гринберга—Козырева): если — произвольный гамильтонов цикл в гамильтоновом плоском графе порядка , сумма индексов внутренних областей относительно и сумма индексов внешних областей относительно обе равны .
Используя теорему Гринберга—Козырева, покажите, что плоский граф, изображённый на рис. 8-30, не является гамильтоновым.
Fig. 8-30
Покажите, что 3-связный кубический плоский граф, известный как граф Гринберга—Козырева, изображённый на рис. 8-31, не является гамильтоновым.
Покажите, что в гамильтоновом графе , изображённом на рис. 8-32, любой гамильтонов цикл, содержащий ребро , не содержит ребра .
Покажите, что граф Тутта, изображённый на рис. 8-33, не является гамильтоновым.
Покажите, что плоский граф, изображённый на рис. 8-34, не является гамильтоновым.
Покажите, что не существует гамильтонова планарного графа с областями степеней 5 и 8 и одной областью степени 7.
Приведите пример максимального планарного графа, не являющегося гамильтоновым графом.
Докажите теорему 8.11: пусть — сеть с источником и стоком , и пусть — её двойственная сеть. Пусть — кратчайшее расстояние между и в . Определим , где — двойственное ребро, соответствующее ребру в . Тогда вектор является максимальным потоком в .
Найдите максимальный поток в плоской сети, изображённой на рис. 8-36(a), с вершиной 1 в качестве источника и вершиной 10 в качестве стока.
Докажите теорему 8.12: непланарные графы и тороидальны.
Fig. 8-37a
Найдите род графа .
Покажите, что — тороидальный граф.
Приведите пример графа, у которого род меньше числа пересечений.
Покажите, что любой граф можно уложить в трёхмерном пространстве (не на поверхности) так, чтобы никакие два ребра не пересекались, кроме как, возможно, в вершине.
Покажите, что если связный граф рода уложен на поверхности рода , каждая область, определяемая этой укладкой, является 2-клеткой.
Докажите теорему 8.13 (обобщённая формула Эйлера): если укладка связного графа порядка и размера на поверхности рода определяет областей, и если каждая область, определяемая этой укладкой, является 2-клеткой, то .
Покажите, что если связный граф порядка , размера и рода уложен на поверхности рода , и если число областей укладки равно , то .
Найдите число 2-клеток, образующихся при укладке графа Петерсена на торе.
Если простой связный граф уложен на поверхности, найдите нижнюю оценку рода графа. Рассмотрите случай, когда двудолен.
Если простой связный граф уложен на поверхности, найдите верхнюю оценку числа рёбер. Рассмотрите случай, когда граф двудолен.
Простой связный граф порядка , размера и рода называется максимальным -графом, если , когда он не двудолен, и , когда он двудолен. Покажите, что и — максимальные тороидальные графы, а — нет.
Найдите нижнюю оценку рода полных графов:
.
Найдите нижнюю оценку рода -мерного куба.
Если граница каждой грани плоского графа порядка содержит четыре ребра, покажите, что размер графа равен .
Если плоский граф порядка 2-связен и ни одна грань не является треугольником, покажите, что размер графа не может превышать .
Если 4-регулярный плоский граф имеет восемь граней, найдите число его вершин и рёбер.
Если 4-регулярный плоский граф имеет 10 граней, найдите число его вершин и рёбер.
Если граница каждой области связного плоского графа порядка и размера содержит рёбер, покажите, что .
Если 3-регулярный связный плоский граф имеет 12 областей, найдите число его вершин и рёбер.
Если обхват (число рёбер в цикле с минимальным числом рёбер) связного графа порядка и размера равен , докажите неравенство .
Покажите, что граф с менее чем девятью рёбрами планарен.
Найдите число областей в планарном графе порядка , если это триангуляция и это максимальный внешнепланарный граф.
Найдите число пересечений графа .
Плоский граф 2-связен тогда и только тогда, когда его геометрически двойственный граф 2-связен.
Покажите, что не существует гамильтонова планарного графа с областями степеней 4 и 6 и одной областью степени 9.
Покажите, что планарный граф, изображённый на рис. 8-41, не является гамильтоновым.
Fig. 8-41
Покажите, что планарный граф, изображённый на рис. 8-42, не является гамильтоновым.
Fig. 8-42
Покажите, что планарный граф на рис. 8-43 не является гамильтоновым.
Fig. 8-43