TOMASZ TRACZYK MATEMATYKA DYSKRETNA Wykłady 9-10 Grafy Hamiltona

Podobne dokumenty
Matematyka dyskretna

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA

Matematyczne Podstawy Informatyki

MATEMATYKA DYSKRETNA - MATERIAŁY DO WYKŁADU GRAFY

SPÓJNOŚĆ. ,...v k. }, E={v 1. v k. i v k. ,...,v k-1. }. Wierzchołki v 1. v 2. to końce ścieżki.

Graf. Definicja marca / 1

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

Suma dwóch grafów. Zespolenie dwóch grafów

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Przykłady grafów. Graf prosty, to graf bez pętli i bez krawędzi wielokrotnych.

Czy istnieje zamknięta droga spaceru przechodząca przez wszystkie mosty w Królewcu dokładnie jeden raz?

E ' E G nazywamy krawędziowym zbiorem

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, B/14

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA

Algorytmiczna teoria grafów

Grafy dla każdego. dr Krzysztof Bryś. Wydział Matematyki i Nauk Informacyjnych Politechnika Warszawska.

Podstawowe własności grafów. Wykład 3. Własności grafów

Drzewa. Jeżeli graf G jest lasem, który ma n wierzchołków i k składowych, to G ma n k krawędzi. Własności drzew

KURS MATEMATYKA DYSKRETNA

KURS MATEMATYKA DYSKRETNA

Zad. 1 Zad. 2 Zad. 3 Zad. 4 Zad. 5 SUMA

Drzewa spinające MST dla grafów ważonych Maksymalne drzewo spinające Drzewo Steinera. Wykład 6. Drzewa cz. II

Algorytmiczna teoria grafów

Teoria grafów podstawy. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

Elementy teorii grafów Elementy teorii grafów

Matematyczne Podstawy Informatyki

Opracowanie prof. J. Domsta 1

Grafy. Graf ( graf ogólny) to para G( V, E), gdzie:

Algebry skończonego typu i formy kwadratowe

Algorytmika Problemów Trudnych

Marek Miszczyński KBO UŁ. Wybrane elementy teorii grafów 1

Wprowadzenie Podstawy Fundamentalne twierdzenie Kolorowanie. Grafy planarne. Przemysław Gordinowicz. Instytut Matematyki, Politechnika Łódzka

Digraf. 13 maja 2017

Znajdowanie skojarzeń na maszynie równoległej

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

Droga i cykl Eulera Przykłady zastosowania drogi i cyku Eulera Droga i cykl Hamiltona. Wykład 4. Droga i cykl Eulera i Hamiltona

Wykład 8. Drzewo rozpinające (minimum spanning tree)

Kolorowanie wierzchołków Kolorowanie krawędzi Kolorowanie regionów i map. Wykład 8. Kolorowanie

Teoria grafów dla małolatów. Andrzej Przemysław Urbański Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Struktury danych i złożoność obliczeniowa Wykład 7. Prof. dr hab. inż. Jan Magott

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, A/14

Reprezentacje grafów nieskierowanych Reprezentacje grafów skierowanych. Wykład 2. Reprezentacja komputerowa grafów

Ilustracja S1 S2. S3 ściana zewnętrzna

Rekurencje. Jeśli algorytm zawiera wywołanie samego siebie, jego czas działania moŝe być określony rekurencją. Przykład: sortowanie przez scalanie:

1) Grafy eulerowskie własnoci algorytmy. 2) Problem chiskiego listonosza

TEORIA GRAFÓW I SIECI

TEORETYCZNE PODSTAWY INFORMATYKI

6. Wstępne pojęcia teorii grafów

LX Olimpiada Matematyczna

0. ELEMENTY LOGIKI. ALGEBRA BOOLE A

Wojciech Guzicki. Gdynia, 23 września 2016 r.

Kolorowanie wierzchołków

Wykład 4. Droga i cykl Eulera i Hamiltona

(4) x (y z) = (x y) (x z), x (y z) = (x y) (x z), (3) x (x y) = x, x (x y) = x, (2) x 0 = x, x 1 = x

Matematyka dyskretna - 7.Drzewa

Matematyka Dyskretna Zestaw 2

Problemy Decyzyjne dla Systemów Nieskończonych

Algorytmy grafowe. Wykład 1 Podstawy teorii grafów Reprezentacje grafów. Tomasz Tyksiński CDV

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Lista 4. Kamil Matuszewski 22 marca 2016

6a. Grafy eulerowskie i hamiltonowskie

Krzysztof Jakubczyk. Zadanie 2

Wykłady z Matematyki Dyskretnej

Gramatyki grafowe. Dla v V, ϕ(v) etykieta v. Klasa grafów nad Σ - G Σ.

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Teoria grafów II. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

Grafy (3): drzewa. Wykłady z matematyki dyskretnej dla informatyków i teleinformatyków. UTP Bydgoszcz

Kombinowanie o nieskończoności. 2. Wyspy, mosty, mapy i kredki materiały do ćwiczeń

Paradoksy log o i g czne czn i inne 4 marca 2010

Matematyczne Podstawy Informatyki

Jeśli lubisz matematykę

Języki i operacje na językach. Teoria automatów i języków formalnych. Definicja języka

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

1.UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Matematyka dyskretna - 5.Grafy.

Indukcja. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

MATEMATYKA DYSKRETNA - KOLOKWIUM 2

Spis treści Podstawowe definicje Wielomian charakterystyczny grafu Grafy silnie regularne

Kolorowanie wierzchołków grafu

E: Rekonstrukcja ewolucji. Algorytmy filogenetyczne

Grafy co o ich rysowaniu wiedzą przedszkolaki i co z tego wynika dla matematyków

Programowanie dynamiczne i algorytmy zachłanne

Sortowanie topologiczne skierowanych grafów acyklicznych

Nierówności między średnimi liczbowymi i ich zastosowanie. Renata Jurasińska. Instytut Matematyki Uniwersytetu Rzeszowskiego III LO w Rzeszowie

domykanie relacji, relacja równoważności, rozkłady zbiorów

TEORIA GRAFÓW I SIECI

Algebrą nazywamy strukturę A = (A, {F i : i I }), gdzie A jest zbiorem zwanym uniwersum algebry, zaś F i : A F i

Indukcja matematyczna

Systemy rozgrywek sportowych OGÓLNE ZASADY ORGANIZOWANIA ROZGRYWEK SPORTOWYCH

Ścieżki w grafach. Grafy acykliczne i spójne

Domknięcie i stabilność Bondy ego-chvátala grafów zwykłych idee, formalizacje, uzupełnienia

ALGORYTMY OPTYMALIZACJI wyklad 3.nb 1. Wykład 3. Sformułujemy teraz warunki konieczne dla istnienia rozwiązań zagadnienia optymalizacyjnego:

Zofia Kruczkiewicz, Algorytmu i struktury danych, Wykład 14, 1

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Twierdzenie Halla o małżeństwach

LVIII Olimpiada Matematyczna

G. Wybrane elementy teorii grafów

B jest liniowo niezależny V = lin (B) 1. Układ pusty jest bazą przestrzeni trywialnej {θ}. a i v i = i I. b i v i, (a i b i ) v i = θ.

Wykład 1. Na początku zajmować się będziemy zbiorem liczb całkowitych

Transkrypt:

TOMASZ TRACZYK MATEMATYKA DYSKRETNA Wykłady 9-10 Grafy Hamiltona Legenda głosi, Ŝe kiedy sir Wiliam Hamilton został wsadzony do więzienia za długi wymyślił grę w dookoła świata aby zdobyć pieniądze i wyjść na wolność. Gra (właściwie łamigłówka) polegała na tym, Ŝe wierzchołki dwunastościanu foremnego zostały poetykietowane nazwami stolic róŝnych państw świata i naleŝało znaleźć trasę podróŝy dookoła świata. W podróŝy naleŝało odwiedzić kaŝdą stolicę dokładnie raz i wrócić do punktu startowego. Gra nie odniosła sukcesu finansowego, ale dała początek dziedzinie teorii grafów, która do dnia dzisiejszego budzi Ŝywe zainteresowanie grafomanów (grafologów?, grafofilów?) KaŜdy rozpinający cykl prosty w grafie G nazywamy cyklem Hamiltona. Graf G nazywamy grafem Hamiltona gdy G posiada cykl Hamiltona. Problem znalezienia dobrej charakteryzacji grafów Hamiltona, czyli prostego kryterium pozwalającego odróŝnić grafy Hamiltona od innych okazał się znacznie trudniejszy niŝ w przypadku grafów Eulera pomimo pozornego podobieństwa definicji, i na dobrą sprawę jest otwarty do dziś. Znamy sporo warunków koniecznych, sporo warunków dostatecznych, ale nie znamy przyzwoitego warunku koniecznego i dostatecznego na istnienie cyklu Hamiltona w grafie. Graf Hamiltona o n wierzchołkach jest cyklem C n z dodaną pewną liczbą krawędzi dla zmylenia przeciwnika. Tak więc struktura grafu Hamiltona jest niezwykle prosta a mimo to przeciwnik jest często zmylony tak skutecznie, Ŝe nie potrafi rozstrzygnąć czy dany graf jest czy nie jest grafem Hamiltona. Z jednego końca spektrum, jeśli graf G ma krawędzi niewiele więcej niŝ wierzchołków to łatwo na palcach sprawdzić istnienie cyklu Hamiltona. Na drugim końcu mamy sporo twierdzeń mówiących, Ŝe odpowiednio duŝa liczba krawędzi wymusza istnienie cyklu Hamiltona. Prawdziwy problem jest tam, gdzie krawędzi jest średnio duŝo. θ-grafem nazywamy kaŝdy dwuspójny graf, mający dokładnie dwa wierzchołki stopnia i pozostałe wierzchołki stopnia 2, przy czym wierzchołki stopnia nie sąsiadują. Skojarzenie z literą θ jest chyba oczywiste. Łatwo teŝ zauwaŝyć, Ŝe Ŝaden θ-graf nie jest grafem Hamiltona. Twierdzenie. Jeśli G jest grafem Hamiltona to dla kaŝdego dodatniego k i dla kaŝdego k-elementowego zbioru W, W V(G), liczba składowych w grafie G-W nie przekracza k. Usunięcie k wierzchołków z cyklu prostego nie dzieli go na więcej niŝ k dróg prostych. Stąd widać dlaczego θ-grafy nie maja cykli Hamiltona. Warunek powyŝszy nie jest, niestety, warunkiem dostatecznym. Wniosek.

KaŜdy graf Hamiltona jest dwuspójny. Twierdzenie. Jeśli dwuspójny graf G nie zawiera θ-podgrafu to zawiera cykl Hamiltona. Przypuśćmy, Ŝe C jest najdłuŝszym cyklem prostym w dwuspójnym grafie G nie mającym cyklu Hamiltona i wierzchołek z nie naleŝy do C. Weźmy dowolne x,y V(C). Z twierdzenia Aires a istnieje wówczas x-y droga prosta P w G przechodząca przez z. Bez zmniejszenia ogólności moŝemy załoŝyć, Ŝe x i y są jedynymi wierzchołkami cyklu C naleŝącymi do P (stosujemy starą sztuczkę weźmy ostatni wierzchołek... ). Wierzchołki x i y nie sąsiadują w cyklu C gdyby sąsiadowały to zastępując krawędź xy drogą P otrzymalibyśmy cykl prosty dłuŝszy niŝ C. Stąd C P jest θ-podgrafem grafu G. Warunek powyŝszy nie jest, niestety, warunkiem koniecznym nawet jeśli zaŝądamy aby G nie zawierał indukowanego θ-podgrafu. Istnieje pewna liczba warunków dostatecznych istnienia cyklu Hamiltona w grafie opartych na obserwacji, Ŝe dodawanie nowych krawędzi do grafu Hamiltona nie moŝe zepsuć istniejącego cyklu Hamiltona (inaczej niŝ w grafach Eulera), więc Ŝądanie istnienia odpowiednio duŝej liczby krawędzi powinno wystarczyć dla istnienia cyklu Hamiltona. D k (G)={v V : deg G (v) k} Twierdzenie. (Pósa, 1962) G jest grafem o p wierzchołkach, p. Dla kaŝdego n, 1 n<½(p-1) zachodzi D n (G) <n oraz, dla n=½(p-1), zachodzi D n (G) n. Wówczas G jest grafem Hamiltona. Przypuśćmy, Ŝe twierdzenie jest fałszywe. Niech G będzie maksymalnym kontrprzykładem o p wierzchołkach. PoniewaŜ dodawanie krawędzi do grafu spełniającego warunek Pósa nie psuje tego warunku, więc dodanie dowolnej nowej krawędzi do G powoduje pojawienie się cyklu Hamiltona. Innymi słowy, kaŝde dwa niesąsiadujące wierzchołki G są końcami pewnej drogi prostej i rozpinającej w G (drogi Hamiltona). Udowodnimy najpierw: (*) KaŜdy wierzchołek u stopnia n ½(p-1) sąsiaduje z kaŝdym wierzchołkiem w stopnia >½(p-1), czyli ½p. Rzeczywiście, jeśli u nie sąsiaduje z w to istnieje w G droga prosta (u=v 1,v 2,...,v p =w). Oznaczmy przez v i1,v i2,...,v in sąsiadów wierzchołka v 1, 2=i 1 <i 2 <... <i n <p. Jeśli v p sąsiaduje z pewnym wierzchołkiem v ij-1 to ciąg (v 1,v 2,...,v ij-1,v p,v p-1,...,v ij, v 1 ) jest cyklem Hamiltona w G, wbrew definicji G. Stąd ½(p-1)<deg(v p ) p-1-n ½(p-1). Istnieje więc w G wierzchołek stopnia <½p w przeciwnym razie G byłby grafem pełnym, a więc miałby cykl Hamiltona. Niech m będzie maksymalnym stopniem wierzchołka mniejszym od ½p i weźmy u 1 wierzchołek stopnia m. Z warunku Pósa mamy D m m<½p. Stąd w G jest więcej niŝ m wierzchołków stopnia większego niŝ m, a więc na mocy definicji m, stopnia co najmniej ½p. Istnieje więc w G wierzchołek u p, deg(u p ) ½p, nie sąsiadujący z u 1. Tak jak poprzednio rozwaŝmy drogę Hamiltona (u 1,u 2,...,u p ) i oznaczmy przez u i1,u i2,...,u im sąsiadów wierzchołka u 1. Podobnie jak poprzednio, u p nie sąsiaduje z Ŝadnym wierzchołkiem typu u ij-1,

j=1,2,... m. PoniewaŜ deg(u p ) ½p i u p nie sąsiaduje z u 1, więc na mocy (*), deg(u 1 )=m<½(p- 1) czyli z warunku Pósa, D m <m. Stąd przynajmniej jeden z wierzchołków u i1-1,...,u im-1 ma stopień większy niŝ m, a więc co najmniej równy deg(u p ) ½p wbrew (*). Twierdzenie. (Dirac, 1952) G jest grafem o p wierzchołkach, p i dla kaŝdego v V, degv ½p. Wówczas G ma cykl Hamiltona. Oczywisty wniosek z twierdzenia Pósa. Twierdzenie Diraca było historycznie pierwsze z całej serii twierdzeń tego typu i główny pomysł dowodowy polegający na rozwaŝaniu wierzcołków typu u ij-1 pochodzi właśnie od Diraca. Twierdzenie. (Ore, 1960) G jest grafem o p wierzchołkach, p i dla kaŝdej pary nie sąsiadujących wierzchołków u,v V, degu+degv p. Wówczas G ma cykl Hamiltona. Udowodnimy, Ŝe warunek Ore implikuje warunek Pósa. Przypuśćmy, Ŝe G nie spełnia warunku Pósa, czyli dla pewnego n ½(p-1) mamy D n n. Jeśli zachodzi warunek Ore to kaŝde dwa wierzchołki z D n sąsiadują. Stąd jeśli D n >n to D n =n+1 i Ŝaden wierzchołek z D n nie sąsiaduje z Ŝadnym z V-D n, więc takie pary wierzchołków nie spełniają warunku Ore. Pozostaje przypadek D n =n. Wówczas kaŝdy wierzchołek z D n sąsiaduje z co najwyŝej jednym spoza D n (bo ma co najwyŝej n sąsiadów, z tego co najwyŝej n-1 w D n. PoniewaŜ n ½(p-1)< ½p więc poza D n istnieje wierzchołek w nie sąsiadujący z Ŝadnym wierzchołkiem z D n, czyli degw p-n-1. Stąd dla kaŝdego u D n mamy degu+degw n+p-n-1<p. Ostatecznym rozwinięciem pomysłu Diraca jest poniŝsze twierdzenie Bondy ego i Chvátala. k-domknięciem grafu G nazywamy minimalny (w sensie relacji bycia podgrafem) graf H taki, Ŝe G jest podgrafem rozpinającym H i dla kaŝdej pary nie sąsiadujących wierzchołków u i v deg H (u)+deg H (v)<k Graf będący k-domknięciem grafu G oznaczamy przez C k (G). Twierdzenie. (Bondy, Chvátal, 1976) G jest grafem o p wierzchołkach, p i C p (G)=K n. Wówczas G jest grafem Hamiltona. Udowodnimy najpierw Lemat. Jeśli G jest grafem o p wierzchołkach, p i istnieją w G wierzchołki u i v takie, Ŝe deg G (u)+deg G (v) p i G+uv jest grafem Hamiltona to G jest grafem Hamiltona. lematu Jeśli uv E(G) to G+uv=G i nie ma czego dowodzić. Przypuśćmy, Ŝe e=uv E(G) i G nie ma cyklu Hamiltona. PoniewaŜ po dołączeniu krawędzi e pojawia się cykl Hamiltona, więc w G istnieje u-v prosta droga rozpinająca (u 1 =u,u 2,...,u p =v). PoniewaŜ deg G (u)+deg G (v) p więc istnieje i takie, Ŝe v i sąsiaduje z u 1 i v i-1 sąsiaduje z u p. Stąd ciąg (u 1, u 2,..., u i-1, u p, u p-1,..., u i, u 1) jest cyklem Hamiltona w G, wbrew załoŝeniu.

twierdzenia. Jasne jest, Ŝe K p =C k (G) moŝna otrzymać w s krokach (s= E(C p ) - E(G) ) dodając w kaŝdym kroku jedną krawędź łączącą wierzchołki, których suma stopni jest p. PoniewaŜ K p jest grafem Hamiltona i w kaŝdym kroku dodajemy krawędź spełniającą załoŝenia lematu więc, zgodnie z lematem, wszystkie grafy otrzymane w kolejnych krokach, łącznie z pierwszym - czyli z grafem G, są grafami Hamiltona. Okazuje się, Ŝe twierdzenie Bondy ego Chvátala jest istotnie mocniejsze od twierdzenia Pósa, a więc takŝe Ore i Diraca. pomijamy. Z nieco innego nurtu badań pochodzi następujące Twierdzenie. (Erdös, Chvátal, 1972) G jest grafem o p wierzchołkach, p i κ(g) β 0 (G). Wówczas G jest grafem Hamiltona. C najdłuŝszy cykl prosty w grafie G spełniającym załoŝenia twierdzenia. Przypuśćmy, Ŝe istnieje wierzchołek u nie naleŝący do C. Oznaczmy k=κ(g). Na mocy twierdzenia Diraca o wachlarzu, w G istnieje u {x 1,x 2,...,x k } wachlarz dla dowolnego wyboru wierzchołków x 1,x 2,...,x k z C (kto nie wie dlaczego cykl C zawiera co najmniej k wierzchołków niech chwilkę pomyśli). Wierzchołki x 1,x 2,...,x k moŝemy wybrać tak, Ŝe kaŝda z dróg wachlarza ma tylko jeden wierzchołek z C mianowicie koniec róŝny od u, czyli jeden z wierzchołków x 1,x 2,...,x k. Oznaczmy przez y i poprzednika wierzchołka x i na cyklu C (w jednej z dwóch moŝliwych orientacji cyklu C). Jeśli i j to y i nie sąsiaduje z y j w przeciwnym razie ciąg (y i, y j, y j -x i odcinek C, x i -u droga z wachlarza, u-x j droga z wachlarza, x j -y i odcinek C) byłby cyklem prostym dłuŝszym od C. śaden z wierzchołków y 1,y 2,...,y k nie sąsiaduje z u bo w przeciwnym razie ciąg (y s,u, u-x s droga z wachlarza, x s -y s odcinek C) byłby cyklem prostym dłuŝszym od C. Stąd zbiór {y 1,y 2,...,y k,u} jest κ(g)+1 elementowym zbiorem niezaleŝnym, co przeczy załoŝeniu, Ŝe κ(g) β 0 (G). Badane są przeróŝne warianty problemu Hamiltona. Jeden z nich polega na zezwoleniu na wykonywanie, oprócz pojedynczych kroków, takŝe skoków długości co najwyŝej k. k-tą potęgą grafu G=(V,E) nazywamy graf G k =(V,E k ), gdzie xy E k wtedy i tylko wtedy gdy dist G (x,y) k i x y. Tak więc dla grafu G o p wierzchołkach mamy G 0 = K (taki graf nazywamy całkowicie niespójnym ) oraz G p-1 =K p (jeśli G jest spójny). Twierdzenie. (Sekanina, 1960) Dla kaŝdego spójnego grafu o p wierzchołkach i dla kaŝdego k, G k jest grafem Hamiltona. KaŜdy spójny graf G ma drzewo rozpinające, wystarczy więc wykazać, Ŝe dla kaŝdego drzewa T, T jest grafem Hamiltona. WykaŜemy przez indukcję względem p, Ŝe kaŝde dwa wierzchołki sąsiadujące w T są połączone prostą drogą Hamiltona w T. Dla p=1 nie ma czego dowodzić. p

Weźmy drzewo T o p wierzchołkach i załóŝmy, Ŝe tak jest dla wszystkich drzew o mniej niŝ p wierzchołkach. Niech e=xy będzie dowolną krawędzią drzewa T. Graf T-e ma dokładnie dwie składowe drzewa T x i T y zawierające wierzchołki odpowiednio x i y, kaŝda z nich ma mniej niŝ p wierzchołków. MoŜliwe są następujące przypadki: x jest jedynym wierzchołkiem T x i y jest jedynym wierzchołkiem T y. Wówczas (x,y) jest szukaną drogą. x jest jedynym wierzchołkiem T x i w T y istnieje wierzchołek u y. Wówczas w T y istnieje y-u prosta droga rozpinająca. PoniewaŜ dist T (x,u)=2 więc drogę tę moŝemy przedłuŝyć krawędzią ux do prostej y-x drogi rozpinającej w T. Podobnie postępujemy gdy y jest jedynym wierzchołkiem T y. W T x istnieje wierzchołek v x w T y istnieje wierzchołek u y. Wówczas w prosta droga rozpinająca a w T x istnieje v-x prosta droga rozpinająca. PoniewaŜ dist T (v,u)= więc drogi tę moŝemy połączyć krawędzią uv do prostej y-x drogi rozpinającej w T. T y istnieje y-u Problem istnienia cyklu Hamiltona w G 2 okazał się znacznie trudniejszy. Herbert Fleischner udowodnił Twierdzenie. (Fleischner, 1974) Dla kaŝdego dwuspójnego grafu G, G 2 jest grafem Hamiltona. jest długi i Ŝmudny dwie prace, w których Fleischner go przedstawił liczą łącznie ponad 40 stron.