פרק 2:
Transcription
פרק 2:
פרק :3משפט ההיכרויות ומשפט Kőnig מבוא לפרק: בפרק זה ניעזר במונחים שפיתחנו עד כה ,כדי להוכיח כמה משפטים. נפתח במשפט שלפעמים מכונה "משפט לחיצת הידיים" ,בעקבות הניסוח הבא: משפט 3.1 בכל קבוצה של n 6אנשים ,או שיש ביניהם שלשה אנשים שכל שניים מהם לחצו יד זה לזה ,או שיש ביניהם שלשה אנשים שאף שנים מהם לא לחצו ידיים זה לזה . הערות: .1ייתכן ושתי האופציות מתקיימות בו זמנית -הביאי דוגמה למצב כזה! .2ניסוחים חלופיים: א .בכל מפגש בין לפחות 6אנשים ,לפחות אחת מבין 2האופציות הבאות מתקיימות : או שיש ביניהם 3אנשים ,שכולם מכירים אחד את השני ,או שיש ביניהם 3אנשים ,כך שאף אחד מבין השלושה לא מכיר אף אחד אחר בשלשה זו. ניסוח א' הוא אותו ניסוח כפי שהבאנו אותו בפרק מבוא. ב .בכל גרף Gמסדר לפחות ,6או Gאו Gמכיל משולש. במשולש בגרף ,הכוונה (כצפוי?!) לשלשה קודקודים ,שכל אחד מחובר לשניים האחרים על ידי צלע- צורה זו של גרף מוכרת לכן כבר מפרק 2כ C 3 -או . K 3 ג .בכל צבעיה של צלעות הגרף K 6בשני צבעים ,קיים לפחות משולש אחד חד גוני . פרק - 3עמוד 1 תרגיל: הוכיחי שקילות בין הניסוחים השונים! הדרכה :לשם כך ,עלייך להראות .1שהניסוח במשפט הוא שקול לכל אחד מהגירסאות א' ו-ג'. .2שגירסה ב' ,שבה מדובר גם על גרפים מסדרים יותר גבוהים מ ,6-גוררת אחריה את (אחת מ)הגירסאות האחרות ,וכן, .3אם בכל צבעיה של צלעות הגרף K 6בשני צבעים ,קיים לפחות משולש אחד חד גוני ,אזי בכל גרף Gמסדר לפחות ,6או Gאו Gמכיל משולש. הוכחת משפט :3.1 נוכיח את גירסה ג'. ראי גם המאמר מעשה בשש נקודות על ידי פרופסור עמוס אלטשולר המופיע באתר תמצאי מספר וריאציות ויישומים שונים של המשפט .ההוכחה הבאה שוחזרה משם . אלף אפס שם נתבונן ב K 6 -שצלעותיו צבועות בשני צבעים (שחור וירוק ) ,ויהי xקדקוד בגרף זה .מן הקדקוד xיוצאות בדיוק חמש צלעות -אחת לכל אחד מחמשת הקדקודים האחרים .לפחות שלוש מתוך חמש צלעות אלה צבועות באותו צבע ,שחור או ירוק (אילולא כן ,מספר הצלעות השחורות היוצאות מ -xאינו עולה על ,2 ומספר הצלעות הירוקות היוצאות מ -xאף הוא אינו עולה על ,2אך זה מסתכם בלכל היותר ארבע צלעות הצבועות בשחור או בירוק ,בעוד שמספר הצלעות היוצאות מ -xהוא חמש!) בלי הגבלת הכלליות נוכל להניח אפוא שיוצאות מ -xלפחות שלוש צלעות ירוקות .נתבונן בשלוש צלעות אלה : נסמנן . xc,xb,xaעתה נתבונן בשלוש הצלעות . bc,ac,abאם לפחות אחת מהן ירוקה (למשל (ab ,אזי לפנינו משולש ירוק (הוא המשולש שקדקודיו .( x,a,bאם אף אחת מה ן לא ירוקה ,אזי שלושתן שחורות , ולפנינו משולש שחור (שקדקודיו .( c,b,aעד כאן הוכחת המשפט■ . a c b פרק - 3עמוד 2 שימי לב :הביטוי "בלי הגבלת הכלליות" ,פירושו :מבין כמה אופציות ,מותר לי להניח שדבר מסוים קרה ,שאם לא כן ,ומשהו אחר קרה ,השיקול הוא דומה לחלוטין. תרגיל: הוכיחי כי לא ניתן להחליף את המספר 6במשפט על ידי !5שאלה זו מופיעה בתרגיל .3 מושגים של מרחק בגרף: נוכחנו לראות שהמושג של מרחק אוקלידי אינו תופס מקום בנושא תורת הגרפים .בכל זאת ,יש משמעות למונח של "מרחק בין שני קודקודים בגרף" ,והיא קשורה לאורך מסילה ביניהם .הנה ההגדרה המדויקת: הגדרה: המרחק בין 2נקודות u, vבגרף G V , E מסומן על ידי ) ( d G (u , vאו )) d (u, v והוגדר להיות: אורך המסילה הקצרה ביותר בין uל vאם קיימת מסילה ביניהם ,ו- אם u, vבמרכיבי קשירות שונים . דוגמה: בגרף , d ( A, H ) 5 ,2.1שכן המסילה הקצרה ביותר בין Aל H-היא המסילה ,ABCFGH שהיא יותר קצרה מהמסילה ABCEDCFGHבאורך .8 בגרף d ( P, J ) ,2.2שכן הנקודות ,Pו J-נמצאות במרכיבי קשירות שונים . מסילה בין u, vבעלת אורך הקצר ביותר נקראת מסילה גיאודזית. כך נוכל להגדיר את המרחק בין 2קודקודים להיות אורך מסילה גיאודזית ביניהם. פרק - 3עמוד 3 דוגמאות: בגרף ,2.1המסילה ABCFGHהיא מסילה גיאודזית בין Aל , H-בעוד שהמסילה ABCEDCFGHאינה גיאודזית. נחזור שוב לקובייה התלת מימדית : נחפש מסילות בין הקודקודים .1,7 מסילות בין 2הקודקודים הללו הן: . 1,2,6,7 , 1,4,8,7 , 1,4,3,2,6,7 , 1,2,6,5,8,7 ויש עוד.... בדיקה קלה מראה שרק המסילות 1,4,8,7 ו 1,5,8,7 , 1,5,6,7 , 1,2,6,7 הן מסילות גיאודזיות ,ולכן . d (1,7) 3 מסתבר שההגדרה הזו של מרחק "מתקבלת על הדעת" ,שכן יש לו תכונות דומות למרחק האוקלידי ,כפי שמשפט 3.2מראה. פרק - 3עמוד 4 משפט 3.2 הפונקציה ) d G (u , vהיא מטריקה .כלומר: א( .סימטריות) :לכל שני קודקודים d G (u, v) d G (v, u ) , u, v V ב .לכל שני קודקודים , d G (u, v) 0 , u, v Vובנוסף . u v d G (u, v) 0 ג( .אי שיוויון המשולש ) :לכל u, v, w Vמתקיים. d G (u, w) d G (u, v) d G (v, w) : הוכחת משפט 3.2 הוכחות סעיפים א'ב' נובעות מההגדרה ומהעובדה שכל מסילה מ uל vניתנת להיפוך כדי ליצור מסילה מ vל. u הוכחת ג' : מקרה . d G (u, w) :1במקרה זה u, w ,נמצאים באותו מרכיב קשירות . תחילה נניח שגם vנמצא באותו מרכיב קשירות . תהא p uvמסילה גיאודזית מ uל , vותהא p vwמסילה גיאודזית מ vל , wכמודגם באיור. אזי צירוף המסילות p uvולאחר מכן p vwהיא מסילה (שנסמנה ) p uv p vwמ uל , wושימו לב שהיא לא בהכרח גיאודזית (כי אולי קיימת מסילה קצרה יותר מ uל .) wלכן : פרק - 3עמוד 5 (א) אורך המסילה p uv p vwגדול או שווה ל ). d G (u , w (ב) אך אורך מסילה p uv p vwהוא סכום אורכי p uvו ( , p vwשזה שווה ). (d G (u, v) d G (v, w כך מ(א) ומ(ב) נקבל את הדרוש. d G (u, w) d G (u, v) d G (v, w) : נניח ש vנמצא במרכיב קשירות אחר. זה אומר ששני המרחקים ) d G (u, v), d G (v, wהם אינסופיים! בדקי שאז אי השיוויון מתקיים אוטומטית. מקרה . d G (u, w) :2 ש u, wבמרכיבי קשירות שונים . על פי הגדרה ,אם , d G (u, w) זה אומר ֶש אם vלא נמצא באף אחד מהמרכיבים האלה ,המצב המצטייר הוא כמו באיור. ולכן גם , d G (u, v) d G (v, w) ואי השיוויון מתקיים . •u •w •v פרק - 3עמוד 6 אם vאכן נמצא באחד מהמרכיבים האלה ,נניח בלי הגבלת הכלליות ,כי הוא באותו מרכיב כמו , uאזי , d G (u, v) אך , d G (v, w) כי v, wבמרכיבי קשירות שונים ,כך ששוב אי השיוויון מתקיים . •w •U •v בכך הוכחנו את המשפט. הקוטר: בצורה אנלוגית להגדרת הקוטר במעגל ,שהוא המרחק המקסימלי בין 2נקודות בו ,ניתן להגדיר קוטר של גרף: הקוטר של גרף מודד את המרחק המקסימלי בין שתי נקודות כל שהן בגרף. דוגמה: הקוטר של גרף 2.1שווה ,5כי המרחק המסימלי בין 2נקודות בגרף וא זה בין ,Aו,H- שהוא ,5כפי שכבר גילינו. הקוטר של גרף ( ,2.2או של כל גרף לא קשיר) הוא . פרק - 3עמוד 7 הגדרה: יהא G V , E גרף .הקוטר של Gמסומן על ידי ) d (Gוהוא אורך המסילה הגיאודזית הארוכה ביותר ב . Gבמילים אחרות. d (G) max{ d G (u, v) | u, v V } , דוגמאות נוספות: באיור לפניך גרף פשוט מסדר ,7ולידו טבלת המרחקים (המכונה שם בשם ” ("Shimbel distanceמכל קודקוד למשנהו .מהטבלה רואים שקוטר הגרף שווה .4 שימו לב לכך ששתי התכונות הראשונות של מטריקה משתקפות מהטבלה ,דהיינו לתכונות המרחק ה 0-אך ורק בין נקודה לעצמו( ,תכונה א') וכן סימטריות של הטבלה ביחס לאלכסון הראשי (תכונה ב'). פרק - 3עמוד 8 עבור גרף בעל יותר ממרכיב קשירות אחד,הקוטר הוא אינסופי . למעשה ,לרוב ,הקוטר יחושב רק עבור גרפים קשירים. d (C 7 ) 4 לפנייך גרף הנקרא "גרף פטרסן",על שם , Julius Petersenמתמטיקאי על שמו נקרא הגרף . בגרף זה שנעשה בה שימוש רב כדוגמה נגדית להפרכת השערות רבות בתורת הגרפים .קל לראות שגרף פטרסן הוא גרף רגולרי מערכיות 3ומסדר .10קוטרו הוא .2 מעגלים בגרף: נפנה עתה לאפיון של גרפים זוגיים (ראי פרק )2על ידי אי קיום של מעגלים מאורך מסוים: המשפט הבא מכונה משפט Kőnigעל שם המתמטיקאי ההונגרי בשם : Dénes Kőnig ראשית כל ,נביא טענת עזר: טענת עזר: Gהוא גרף זוגי ניתן לצבוע את קבוצת קודקודיו ,כל קודקוד או בכחול או באדום ,כך שאין שני שכנים בגרף צבועים באותו הצבע . פרק - 3עמוד 9 גרפים שניתן לצבוע אותם בשני צבעים בצורה זו נקראים גרפים בעלי מספר כרומטי .2 הוכחת טענת העזר: : יהא Gגרף זוגי ,עם חלוקה . V V1 V2צביעה של כל קודקודי V1באדום וכל קודקודי V2בכחול היא צביעה כנדרש. : נניח שכל קודקודי הגרף צבועים או בכחול או באדום ,בצורה שאין שני שכנים בגרף צבועים באותו הצבע .נסמן את קבוצת הקודקודים האדומים על ידי , V1ואת קבוצת הקודקודים הכחולים על ידי . V2 בדקי שהחלוקה V V1 V2היא חלוקה המתאימה לזו של גרף זוגי. משפט -3.3משפט Kőnig גרף Gהוא גרף זוגי כל מעגליו בעלי אורך זוגי . דוגמאות: יישום של משפט קוניג מראה מיד שהגרף הימני הוא זוגי – הרי אין בו מעגלים! (מצד שני, השתכנעי –מהי החלוקה?) ,בעוד שהגרף C 7אינו זוגי. הוכחת משפט :3.3 : פרק - 3עמוד 10 יהא Gהוא גרף זוגי ,עם חלוקה , V V1 V2ויהי v1 , v2 ,.., vn , v1 מעגל בו בעל אורך , n כאשר ,בלי הגבלת הכלליות ,נניח ש . v1 V1עלינו להראות כי nמספר זוגי. נביט במעגל . v1 , v2 ,.., vn , v1 היות ו v 2 -שכן של , v1 V1ו G -גרף זוגי ,אנו מסיקים שv2 V2 - .כמו כן , v3 V1 ,בהיותו שכן של . v 2ממשיכים בדרך זו לאורך קודקודי המעגל ,אנו מסיקים שקודקודים עוקבים שייכים לסירוגין לקבוצות V1ו . V2 -היות ו"אחרי" nצלעות "חזרנו" לקודקוד , v1 V1אנו מסיקים כי nחייב להיות מספר זוגי. : נניח כי כל מעגלי Gבעלי אורך זוגי .עלינו להוכיח כי Gהוא גרף זוגי ,זאת אומרת שניתן לחלק את קבוצת קודקודיו לחלוקה V V1 V2מתאימה ,כך שלכל הצלעות ב Gקודקוד אחד מכל תת קבוצה . תחילה נניח כי Gגרף קשיר. לפי טענת העזר ,מספיק להראות שניתן לצבוע את קודקודי Gבצורה "חוקית" בשני צבעים. תהליך זה נחלק לשני חלקים : א .נכריז על כללי צביעת קודקודי G ב .נוכיח שבצביעה זו ,אין שני שכנים צבועים באותו הצבע . א .כללי צביעת הקודקודים נבחר קודקוד u Vכל שהוא ,ונצבע אותו בכחול .לכל קודקוד אחר , v V ,תהא p uvמסילה כל שהיא מ uל . vנצבע את vבצורה הבאה: נצבע אותו בכחול אם אורך המסילה p uvהוא מספר זוגי. נצבע אותו באדום אם אורך המסילה p uvהוא מספר אי זוגי. נשים לב שהצביעה לא תלויה במסילה הספציפית שבחרנו מ uל . vשכן ,תהא q uvמסילה אחרת פרק - 3עמוד 11 מ uל . vצירוף שתי המסילות הללו מהווה מעגל ב , Gשאורכו סכום אורכי 2המסילות p uvו . q uv היות ועל פי הנחה ,אורך המעגל הוא זוגי ,חייב להיות שאורכי 2המסילות בעלי אותה זוגיות ,ולכן שתי מסילות אלו היו נותנים אותו כלל צביעה . ב .בצביעה זו ,אין שני שכנים צבועים באותו הצבע . הוכחה :תרגיל! (ראי תרגיל )3 נניח ש Gאינו קשיר .יהיו G1 , G 2 ,.....G kמרכיבי הקשירות של . Gנסמן ,לכל , 1 i kאת קבוצת קודקודי Giעל ידי . V i אם כן ,כל אחד מהגרפים G1 , G 2 ,.....G kמהווה (תת) גרף קשיר! יתר על כן ,מאחר וכל מעגלי G בעלי אורך זוגי ,גם כל המעגלים בכל אחד מהגרפים הקשירים G1 , G 2 ,.....G kהם בעלי אורך זוגי. לכן על פי נכונות המשפט עבור גרפים קשירים ,נקבל שכל אחד מתת הגרפים G1 , G 2 ,.....G kהוא גרף זוגי .על פי הגדרה ,זה אומר שלכל 1 i kניתן לחלק את Viלחלוקה . V i V1i V2i k k i 1 i 1 כעת ,נסמן , V1 V1iו . V2 V2i -החלוקה V V1 V2נותנת חלוקה מתאימה של , V ולכן Gגרף זוגי ■. פרק - 3עמוד 12 דוגמה: ראי למשל ,באיור הבא- ,שם רואים שכל הצלעות בגרף מחברות בין אברי V1לאברי . V2 } V12 {C1 , C 2 , C3 } V11 { A1 , A2 , A3 , A4 , A5 } V2 2 {D1 , D2 } V21 {B1 , B2, B3 , B4 V 2 V12 V22 V 1 V11 V21 G G1 G2 V V1 V2 סיכום מונחים מפרק :3 משפט לחיצת הידיים מרחק בגרף מרחק היא מטריקה קוטר איפיון גרף זוגי על ידי אורכי המעגלים בו פרק - 3עמוד 13