Раскраски графов
[121/91%]Докажите, что граф -раскрашиваем тогда и только тогда, когда каждый его блок -раскрашиваем.
Покажите, что любой планарный граф 6-раскрашиваем.
Покажите, что любой планарный граф 5-раскрашиваем.
Докажите теорему 9.1: для любого графа .
Покажите, что для любого графа , , где максимум берётся по всем порождённым подграфам графа .
Докажите теорему 2 (теорему Брукса): если — связный граф, не являющийся ни полным графом, ни нечётным циклом, .
Докажите, что если множество вершин графа имеет невозрастающую последовательность степеней , то .
Покажите, что число цветов, необходимых для раскраски вершин методом «сначала наибольшая степень», не превышает .
Используйте алгоритм «сначала наибольшая степень» для раскраски вершин графа, изображённого на рис. 9-10.
-хроматический граф называется критически -хроматическим (или -критическим), если для каждой вершины графа . Покажите, что критически -хроматический граф является блоком.
Приведите пример -хроматического графа, не являющегося критически -хроматическим.
Охарактеризуйте критически -хроматические графы при и .
-хроматический граф называется минимально -хроматическим, если для каждого ребра графа . Приведите пример:
минимально -хроматического графа
критически -хроматического графа, не являющегося минимально -хроматическим.
Покажите, что -хроматический граф содержит критически (минимально) -хроматический граф.
Покажите, что если критически -хроматичен, . Приведите контрпример, показывающий, что обратное неверно.
Приведите пример -хроматического графа , для которого неравенство не выполняется.
Докажите, что -хроматический граф имеет по меньшей мере вершин степени не менее .
Используйте неравенство, полученное в задаче 9.15, для доказательства теоремы Секереша—Уилфа (задача 9.51).
Докажите, что критически -хроматический граф ровно с одной вершиной, степень которой превышает , минимально -хроматичен.
Покажите, что если — граф с и с разбиением вершин множества , таким что порождённые и подграфы и соответственно -раскрашиваемы, разрез , состоящий из рёбер , соединяющих вершины из и вершины из , содержит не менее рёбер.
Покажите, что критически -хроматический граф является -рёберно связным. [Эквивалентно, любой связный минимально -хроматический граф -рёберно связен.] Приведите пример, показывающий, что обратное неверно.
Покажите, что если — критически -хроматический граф, не существует подграфов и , таких что и одновременно полон.
Покажите, что подграф, порождённый разделяющим множеством вершин критически -хроматического графа, не является полным графом. В частности, если , две вершины в не смежны.
Приведите пример графа с разделяющим множеством , состоящим из двух смежных вершин.
Если минимально -хроматический граф имеет разделяющее множество , состоящее из двух вершин и , покажите, что:
существуют ровно две -компоненты графа , обозначаемые и , такие что является объединением этих компонент,
граф , полученный соединением и ребром и присоединением его к , и граф , полученный из соединением и ребром с последующим его стягиванием, оба минимально -хроматичны.
Проиллюстрируйте теорему Дирака на примере графа, изображённого на рис. 9-13(a).
Покажите, что если минимально -хроматический граф имеет разделяющее множество, состоящее из двух вершин, сумма их степеней не менее .
Используйте неравенство, полученное в задаче 9.27, для доказательства того, что , где — связный граф, не являющийся ни полным графом, ни нечётным циклом, в частном случае, когда не 3-связен. (Это часть теоремы Брукса.)
-хроматический граф называется однозначно раскрашиваемым, если любая -раскраска порождает одно и то же разбиение множества вершин .
Перечислите -хроматические графы, являющиеся однозначно раскрашиваемыми, при и при порядок графа
Приведите пример графа, не являющегося однозначно раскрашиваемым
Покажите, что если -хроматический граф однозначно раскрашиваем, .
Покажите, что если -хроматический граф однозначно раскрашиваем, подграф, порождённый объединением любых двух множеств разбиения вершин при раскраске, является связным графом.
Покажите, что если -хроматический граф однозначно раскрашиваем, он -связен.
Покажите, что любой 4-хроматический однозначно раскрашиваемый планарный граф является максимальным планарным графом.
Покажите, что граф, полученный из не содержащего треугольников -хроматического графа методом Мыцельского, является не содержащим треугольников -хроматическим графом.
Найдите , где — циклический граф с вершинами, где или .
Если — ребро графа , найдите хроматический многочлен графа .
Покажите, что если — объединение двух графов, и , имеющих ровно одну общую вершину, хроматический многочлен равен произведению хроматических многочленов и , делённому на .
Если — связный граф, полученный соединением двух треугольников так, чтобы у них была одна общая вершина, найдите хроматический многочлен .
Получите хроматический многочлен графа, изображённого на рис. 9-15.
Fig. 9-15
Покажите, что если — граф порядка и размера , абсолютная величина коэффициента при в хроматическом многочлене равна размеру графа.
Покажите, что граф порядка является деревом тогда и только тогда, когда его хроматический многочлен равен .
Если — граф, полученный из слиянием любых двух смежных вершин и (соединённых ребром ) в единственную вершину и соединением этой новой объединённой вершины со всеми теми вершинами, с которыми были смежны или , покажите, что .
Если — граф, полученный из слиянием любых двух несмежных вершин и в единственную вершину и соединением этой новой объединённой вершины со всеми теми вершинами, с которыми были смежны или , покажите, что , где — граф, полученный из соединением и новым ребром .
Используйте теорему редукции, доказанную в задаче 9.41, чтобы вычислить графа из задачи 9.38.
Хроматический многочлен циклического графа порядка равен .
Докажите, что сумма коэффициентов хроматического многочлена графа, имеющего по меньшей мере одно ребро, равна 0.
Покажите, что коэффициенты хроматического многочлена чередуются по знаку.
Покажите, что если — хроматический многочлен связного графа , то , где — целая часть .
Покажите, что если — хроматический многочлен связного графа , то для каждого .
Покажите, что коэффициент при в хроматическом многочлене связного графа не равен нулю.
Покажите, что наименьшее число , такое что коэффициент при в хроматическом многочлене не равен нулю, равно числу компонент.
Покажите, что не может быть хроматическим многочленом простого графа.
Необходимые условия, которым должен удовлетворять хроматический многочлен связного простого графа порядка и размера : (1) он должен быть многочленом от степени , (2) он унитарный (приведённый) многочлен, (3) сумма коэффициентов равна нулю, (4) коэффициенты чередуются по знаку, (5) свободный член равен нулю, (6) коэффициент при не равен нулю, (7) коэффициент при равен , и (8) абсолютные величины коэффициентов при строго возрастают, где — целая часть . Приведите пример многочлена, удовлетворяющего этим восьми условиям, но не являющегося хроматическим многочленом простого связного графа.
Покажите, что если — двудольный мультиграф, его хроматический индекс равен . В частности, покажите, что хроматический индекс полного двудольного графа равен максимуму из .
Если аспирант кафедры прослушал курсов , преподаваемых профессором этой кафедры, профессор должен принять у студента устных экзаменов в конце учебного года. Каждый устный экзамен длится ровно часов. Найдите минимальное время, необходимое для завершения всех кафедральных устных экзаменов, если известно число курсов, прослушанных каждым студентом у каждого профессора.
Латинским квадратом порядка называется матрица с элементами из множества , такая что ни один элемент не встречается дважды в одной строке и ни один элемент не встречается дважды в одном столбце. Покажите, что латинский квадрат порядка можно построить с помощью -рёберной раскраски полного двудольного графа .
Покажите, что если — полный граф с вершинами, его хроматический индекс равен .
Покажите, что если — полный граф с вершинами, его хроматический индекс равен .
В пансионе живёт школьниц. Каждое утро они идут в школу группами по двое, парами. Найдите максимальное число последовательных утренних прогулок, которое они могут совершить так, чтобы каждая девочка составила пару с каждой другой девочкой ровно один раз за эти прогулки.
В пансионе живут 15 девочек, которые ходят в школу группами по трое (тройками) все семь дней недели. Возможно ли составить тройки так, чтобы никакие две девочки не гуляли вместе более одного раза?
Докажите теорему 9.4 (теорему Визинга): хроматический индекс простого графа равен либо , либо .
Если — -регулярный простой граф с нечётным числом вершин, покажите, что его хроматический индекс равен . Верно ли обратное?
Пусть — 3-раскрашиваемый кубический граф, рёбра которого раскрашены цветами , и пусть — разрезающее множество в . Если число рёбер цвета в равно , покажите, что три числа, и , либо все чётны, либо все нечётны.
Докажите теорему 9.5: если кубический граф имеет мост, его хроматический индекс равен 4.
Пусть — граф, полученный из кубического графа стягиванием треугольника (цикла из трёх вершин) в единственную вершину. Покажите, что тогда и только тогда, когда .
Пусть и — два ребра без общей вершины в кубическом графе . Вставим две вершины и на и две вершины и на . Соединим и ребром. Соединим и ребром. Если хроматический индекс построенного таким образом нового графа равен 4, покажите, что хроматический индекс также равен 4.
Приведите контрпример, показывающий, что хроматический индекс (из задачи 9.64) не обязан быть равен 4, когда хроматический индекс равен 4.
Пусть — кубический граф с разрезающим множеством , состоящим из трёх рёбер , соединяющих вершины и , где все шесть вершин различны, так что имеет два подграфа, и . Построим вершину в и соединим её с тремя концевыми вершинами разрезающего множества в , создав новый кубический граф . Аналогично построим другой кубический граф , введя вершину и соединив её с концевыми вершинами разрезающего множества в . Покажите, что граф 3-рёберно раскрашиваем тогда и только тогда, когда оба графа, и , 3-рёберно раскрашиваемы.
Пусть — кубический граф без мостов с разрезающим множеством , состоящим из двух рёбер: ребра , соединяющего и , и ребра , соединяющего и , так что имеет две компоненты, и . Пусть и находятся в одной компоненте. Соединим и ребром в , создав кубический (мульти)граф . Аналогично построим из , соединив и . Покажите, что граф 3-рёберно раскрашиваем тогда и только тогда, когда оба графа, и , 3-рёберно раскрашиваемы.
Разрезающее множество графа называется циклическим разрезающим множеством, если имеет две компоненты, каждая из которых содержит цикл. Циклической рёберной связностью графа называется мощность наименьшего циклического разрезающего множества в , и называется циклически -рёберно связным, если . Покажите, что граф Петерсена циклически 4-рёберно связен.
Снарком по определению называется нераскрашиваемый, циклически 4-рёберно связный кубический граф обхвата не менее 5. Покажите, что это определение более ограничительно в том смысле, что кубический граф без мостов нельзя назвать снарком лишь потому, что он нераскрашиваем. (Гипотеза об обхвате — это утверждение о том, что у каждого снарка есть цикл, состоящий из пяти или шести рёбер. Сейчас известно, что эта гипотеза ложна.)
Пусть и — произвольные смежные вершины кубического графа порядка , где смежна также с и . Аналогично смежна с и . Предполагается, что четыре вершины, и , различны. Пусть и — два независимых ребра кубического графа порядка , где соединяет вершины и , а соединяет вершины и . Удалим и в и удалим и из . Затем соединим два графа, построив четыре новых ребра, соединяющих и , и , и , а также и . Построенный таким образом граф называется точечным произведением этих двух графов, и он, очевидно, является кубическим графом порядка 2. Покажите, что точечное произведение двух снарков является снарком.
Снарком Блануши называется точечное произведение графа Петерсена с самим собой. Постройте снарк Блануши.
Fig. 9-19
Покажите, что снарк не является гамильтоновым графом.
Приведите пример негамильтонова кубического графа, не являющегося снарком.
Приведите пример «неснарка» — циклически 4-связного непланарного кубического графа, рёбра которого можно раскрасить тремя цветами.
Покажите, что в любой кубической карте есть по меньшей мере одна область, граница которой содержит менее шести рёбер. (См. также решённую задачу 8.16.)
Покажите, что существует неизбежное множество из четырёх конфигураций, и перечислите их.
Покажите, что первые три графа, изображённые на рис. 9-22, приводимы.
(Неизбежное множество Вернике) Покажите, что множество, состоящее из пяти графов, изображённых на рис. 9-23, является неизбежным.
Fig. 9-23
Покажите, что бриллиант Биркгофа (см. рис. 9-24) приводим.
Fig. 9-24
Покажите, что хроматическое число графа не может превышать , где — число дуг в самом длинном ориентированном пути в некоторой ацикличной ориентации .
Покажите, что для каждого графа существует ацикличная ориентация , такая что . Следовательно, .
Коэффициентом потока цикла в ориентации графа называется отношение (где ), где — число дуг в одном направлении, а — число дуг в противоположном направлении в . Покажите, что вершины графа можно -раскрасить тогда и только тогда, когда существует такая ориентация графа, при которой коэффициент потока ни одного цикла не превышает .
Гипотеза Хайоша утверждает, что у каждого -хроматического графа есть подграф, гомеоморфный полному графу порядка . Покажите, что гипотеза верна при .
Покажите, что если гипотеза Хайоша верна для , теорема о четырёх красках верна.
Покажите, что гипотеза Хайоша ложна при .
Гипотеза Хадвигера утверждает, что у каждого -хроматического графа есть подграф, стягиваемый к полному графу порядка .
Покажите, что гипотеза верна при .
(Теорема Вагнера) Покажите, что гипотеза верна при тогда и только тогда, когда верна теорема о четырёх красках.
Докажите, что , где — целая часть для любой поверхности положительного рода .
Покажите, что плоский граф 2-раскрашиваем тогда и только тогда, когда степень каждой области чётна.
Покажите, что карта 2-раскрашиваема тогда и только тогда, когда она эйлерова.
Плоский граф 3-раскрашиваем тогда и только тогда, когда он является подграфом триангуляции, в которой степень каждой вершины чётна.
Покажите, что:
циклический граф совершенен тогда и только тогда, когда у него чётное число вершин,
каждый двудольный граф совершенен.
Числом кликового покрытия (также известным как число разбиения) графа называется минимальное число попарно непересекающихся клик, объединение которых равно множеству . Граф называется -совершенным, если для каждого порождённого подграфа графа равно его числу внутренней устойчивости . Покажите, что граф совершенен тогда и только тогда, когда его дополнение -совершенно.
Покажите, что рёберный граф двудольного графа совершенен.
Орграф называется транзитивным орграфом, если всякий раз, когда есть дуга из вершины в вершину и дуга из в вершину , есть и дуга из в . Граф называется транзитивно ориентируемым графом (также известным как граф сравнимости), если можно сориентировать его рёбра так, чтобы полученный орграф был транзитивным орграфом. Покажите, что граф сравнимости совершенен.
Пусть — множество вершин связного графа , такое что подграф, порождённый , полон, и такое что — несвязный граф с компонентами , где . Пусть — подграф, порождённый объединением и , для каждого . Покажите, что если для каждого , то .
Пусть — множество вершин хордального графа , такое что — минимальное разделяющее множество. Покажите, что граф, порождённый , полон.
Докажите, что хордальный граф совершенен.
Покажите, что граф совершенен тогда и только тогда, когда каждый порождённый подграф имеет независимое множество вершин, такое что .
Покажите, что если вершины совершенного графа «заменить» совершенными графами, полученный граф также совершенен.
Покажите, что если граф совершенен, у него есть клика, пересекающаяся с каждым независимым множеством максимальной мощности в .
Покажите, что дополнение совершенного графа совершенно.
Покажите, что граф совершенен тогда и только тогда, когда он -совершенен.
(Теорема Эрдёша) Если граф не содержит в качестве подграфа, покажите, что существует -хроматический граф , такой что для каждой в . (Говорят, что степени графа мажорируются графом .)
(Число Турана и граф Турана) Найдите неубывающую последовательность из натуральных чисел , сумма которых равна , такую что максимальна.
Покажите, что если граф порядка не содержит в качестве подграфа, .
Найдите максимальное число рёбер в:
4-хроматическом графе порядка 20
6-хроматическом графе порядка 20.
Найдите хроматическое число кубического недвудольного графа.
Покажите, что если — -критический граф порядка и размера , .
Покажите, что если -хроматический граф однозначно раскрашиваем, подграф, порождённый объединением любых двух или более подмножеств разбиения вершин, определённого -раскраской, является -связным.
Покажите, что .
Найдите хроматический многочлен .
Если — связный граф, полученный соединением треугольника и циклического графа порядка 4 так, чтобы у них была одна общая вершина, найдите хроматический многочлен .
Если — связный граф порядка , докажите, что .
Покажите, что теорема Визинга не обязана быть верна, если рассматриваемый граф не прост.
Покажите, что теорема о четырёх красках верна тогда и только тогда, когда выполняется следующее условие: у каждого планарного графа есть такая ориентация, что коэффициент потока любого цикла в этой ориентации не превышает 3.
Покажите, что гипотеза Хадвигера верна для .
Покажите, что любой внешнепланарный граф 3-раскрашиваем.
Покажите, что триангуляция 3-раскрашиваема тогда и только тогда, когда степень каждой её вершины чётна.
Дополнение графа сравнимости называется графом несравнимости. Покажите, что граф несравнимости является и совершенным, и -совершенным.
Покажите, что граф Петерсена несовершенен.
Покажите, что интервальный граф совершенен.
Найдите размер наибольшего:
7-хроматического графа порядка 21
7-хроматического графа порядка 22.