Теорема Петерсенса - Википедия - Petersens theorem

А идеальное соответствие (красные края), в Граф Петерсена. Поскольку граф Петерсена кубический и без моста, он удовлетворяет условиям теоремы Петерсена.
Кубический (но не без мостов) граф без идеального соответствия, показывающий, что условие отсутствия мостов в теореме Петерсена не может быть пропущено

в математический дисциплина теория графов, Теорема Петерсена, названный в честь Юлиус Петерсен, является одним из самых ранних результатов теории графов и может быть сформулирован следующим образом:

Теорема Петерсена. Каждый кубический, без моста график содержит идеальное соответствие.[1]

Другими словами, если граф имеет ровно три ребра в каждой вершине и каждое ребро принадлежит циклу, то у него есть набор ребер, которые касаются каждой вершины ровно один раз.

Доказательство

Мы показываем, что для каждого кубического графа без мостов грамм = (V, E) у нас есть это для каждого набора UV количество связанных компонентов в графе индуцированный к V − U с нечетным числом вершин не более чем мощность U. Затем по Теорема Тутте грамм содержит идеальное соответствие.

Позволять граммя - компонента с нечетным числом вершин в графе, индуцированная множеством вершин V − U. Позволять Vя обозначим вершины граммя и разреши мя обозначим количество ребер грамм с одной вершиной в Vя и одна вершина в U. С помощью простого аргумента двойного счета мы имеем, что

куда Eя это множество ребер граммя с обеими вершинами в Vя. С

нечетное число и 2|Eя| четное число, отсюда следует, что мя должно быть нечетным числом. Более того, поскольку грамм без моста у нас есть это мя ≥ 3.

Позволять м быть количеством ребер в грамм с одной вершиной в U и одна вершина в графе, индуцированная V − U. Каждый компонент с нечетным числом вершин дает не менее 3 ребер в м, и они уникальны, поэтому количество таких компонентов не более м/3. В худшем случае каждое ребро с одной вершиной в U способствует м, и поэтому м ≤ 3|U|. Мы получили

что показывает, что условие Теорема Тутте держит.

История

Теорема связана с Юлиус Петерсен, датский математик. Это можно считать одним из первых результатов в теория графов. Теорема впервые появляется в статье 1891 года "Графы Die Theorie der Regären".[1] По сегодняшним меркам доказательство теоремы Петерсеном сложно. Ряд упрощений доказательства завершился доказательством Фринк (1926) и Кениг (1936).

В современных учебниках теорема Петерсена рассматривается как приложение Теорема Тутте.

Приложения

  • В кубическом графе с идеальным совпадением ребра, которые не находятся в идеальном совпадении, образуют 2-факторный. К ориентирование 2-факторный, границы идеального согласования могут быть расширены до пути длины три, скажем, взяв ориентированные наружу края. Это показывает, что каждый кубический граф без мостов распадается на рёберно-непересекающиеся пути длины три.[2]
  • Теорема Петерсена также может быть применена, чтобы показать, что каждый максимальный планарный граф можно разложить на набор рёберно непересекающихся путей длины три. В этом случае двойственный граф является кубическим и без мостов, поэтому по теореме Петерсена он имеет паросочетание, которое соответствует в исходном графе паре смежных граней треугольника. Каждая пара треугольников дает путь длиной три, который включает ребро, соединяющее треугольники вместе с двумя из четырех оставшихся ребер треугольника.[3]
  • Применяя теорему Петерсена к двойственному графу треугольная сетка и соединяя пары несовпадающих треугольников, можно разложить сетку на циклические полоски треугольников. С некоторыми дальнейшими преобразованиями его можно превратить в единую полосу и, следовательно, дает метод преобразования треугольной сетки таким образом, что ее двойственный граф становится гамильтониан.[4]

Расширения

Число совершенных сопоставлений в кубических графах без мостов

Это было предположено Ловас и Plummer что количество идеальное соответствие содержится в кубический, без моста граф экспоненциально зависит от числа вершин графа п.[5]Гипотеза была впервые доказана для двудольный, кубические, безмостовые графы Вурхув (1979), позже для планарный, кубические, безмостовые графы Чудновский и Сеймур (2012). Общий случай был урегулирован Esperet et al. (2011), где было показано, что каждый кубический граф без мостов содержит не менее идеальное соответствие.

Алгоритмические версии

Biedl et al. (2001) обсудить эффективные версии теоремы Петерсена. На основании доказательства Фринка[6] они получают О(п бревно4 п) алгоритм для вычисления идеального соответствия в кубическом графе без мостов с п вершины. Если график, кроме того, планарный в той же статье дается О(п) алгоритм. Их О(п бревно4 п) временная граница может быть улучшена на основе последующих улучшений времени для поддержания набора мостов в динамическом графе.[7] Дальнейшие улучшения, сокращение времени, связанного с О(п бревно2 п) или (с дополнительным рандомизированный структуры данных ) О(п бревно п (журнал журнала п)3), были предоставлены Дикс и Станчик (2010).

Уровнем выше

Если грамм является регулярным графом степени d чей граничное соединение по крайней мере d - 1, и грамм имеет четное количество вершин, тогда он имеет идеальное соответствие. Более того, каждый край грамм принадлежит по крайней мере к одному идеальному совпадению. Условие на количество вершин может быть опущено в этом результате, когда степень нечетная, потому что в этом случае ( лемма о рукопожатии ) число вершин всегда четное.[8]

Примечания

  1. ^ а б Петерсен (1891).
  2. ^ См. Например Буше и Фуке (1983).
  3. ^ Хэггквист и Йоханссон (2004).
  4. ^ Минакшисундарам и Эппштейн (2004).
  5. ^ Ловас, Ласло; Пламмер, М. (1986), Теория соответствия, Анналы дискретной математики, 29, Северная Голландия, ISBN  0-444-87916-1, МИСТЕР  0859549.
  6. ^ Фринк (1926).
  7. ^ Thorup (2000).
  8. ^ Наддеф и Pulleyblank (1981), Теорема 4, с. 285.

Рекомендации