Теорема Дирака — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
Строка 1: Строка 1:
 +
==Теорема==
 
{{Лемма
 
{{Лемма
 
|about=о длине цикла
 
|about=о длине цикла
Строка 12: Строка 13:
 
|proof=
 
|proof=
 
Пусть <tex>C</tex> - цикл наибольшей длины в графе <tex>G</tex>. По лемме его длина <tex>l \ge \delta + 1</tex>. Если <tex>C</tex> - гамильтонов, то теорема доказана. Предположим обратное, т. е. <tex>G \backslash C \ne \varnothing</tex>. Рассмотрим путь <tex>P = x..y : P \cap C = \{y\}</tex> наибольшей длины <tex>m</tex>. Заметим, что по условию <tex>\delta \ge n/2</tex>, а значит <tex>\delta \ge n - \delta > n - l = |V(G \backslash C)|</tex> и каждая вершина из <tex>G \backslash C</tex> смежна с некоторыми вершинами из <tex>C</tex>.
 
Пусть <tex>C</tex> - цикл наибольшей длины в графе <tex>G</tex>. По лемме его длина <tex>l \ge \delta + 1</tex>. Если <tex>C</tex> - гамильтонов, то теорема доказана. Предположим обратное, т. е. <tex>G \backslash C \ne \varnothing</tex>. Рассмотрим путь <tex>P = x..y : P \cap C = \{y\}</tex> наибольшей длины <tex>m</tex>. Заметим, что по условию <tex>\delta \ge n/2</tex>, а значит <tex>\delta \ge n - \delta > n - l = |V(G \backslash C)|</tex> и каждая вершина из <tex>G \backslash C</tex> смежна с некоторыми вершинами из <tex>C</tex>.
Заметим, что вершина <tex>x</tex> не может быть смежна с вершинами:
+
Заметим, что вершина <tex>x</tex> не может быть смежна:
* из <tex>C</tex>, расстояние от которых до <tex>y</tex> (по <tex>C</tex>) не превышает m. Действительно, пусть вершина <tex>v \in C</tex> и расстояние от <tex>v</tex> до <tex>y</tex> по циклу меньше <tex>m</tex>. Тогда этот участок цикла можно заменить на <tex>v \rightarrow x \rightarrow P \rightarrow y</tex>, длина которого <tex>m + 1</tex>. Таким образом образуется цикл большей длины, что противоречит предположению о максимальности цикла <tex>C</tex>.
+
* с вершинами из <tex>C</tex>, расстояние от которых до <tex>y</tex> (по <tex>C</tex>) не превышает m. Действительно, пусть вершина <tex>v \in C</tex> и расстояние от <tex>v</tex> до <tex>y</tex> по циклу меньше <tex>m</tex>. Тогда этот участок цикла можно заменить на <tex>v \rightarrow x \rightarrow P \rightarrow y</tex>, длина которого <tex>m + 1</tex>. Таким образом образуется цикл большей длины, что противоречит предположению о максимальности цикла <tex>C</tex>. Отсюда также следует, что <tex>l > 2m</tex>.
 
* двум смежным вершинам на <tex>C</tex>. Пусть <tex>u, v \in C</tex> и <tex>\{(u, v), (u, x), (x, v)\} \in E</tex>. Тогда заменив ребро <tex>(u, v)</tex> на <tex>u \rightarrow x \rightarrow v</tex>, увеличим длину цикла на <tex>1</tex>.
 
* двум смежным вершинам на <tex>C</tex>. Пусть <tex>u, v \in C</tex> и <tex>\{(u, v), (u, x), (x, v)\} \in E</tex>. Тогда заменив ребро <tex>(u, v)</tex> на <tex>u \rightarrow x \rightarrow v</tex>, увеличим длину цикла на <tex>1</tex>.
*<tex>G \backslash (C \cup P)</tex>, поскольку <tex>P</tex> максимальный.  
+
* вершинам из <tex>G \backslash (C \cup P)</tex>, поскольку <tex>P</tex> максимальный.
 +
 
 
Получаем <tex>deg\ x \le m + (l - 2m)/2 =l/2 < n/2 \le \delta</tex>. Противоречие.
 
Получаем <tex>deg\ x \le m + (l - 2m)/2 =l/2 < n/2 \le \delta</tex>. Противоречие.
 
}}
 
}}
  
Обратим внимание, что эта теорема является следствием из [[Теорема Хватала|теоремы Хватала]]. Действительно, для <tex>\forall k</tex> верна импликация <tex>d_k \le k < n/2 \Rightarrow d_{n-k} \ge n-k</tex>, поскольку левая её часть всегда ложна.
+
==Альтернативное доказательство==
 +
 
 +
{{Теорема
 +
|about=Дирак(альтернативное доказательство)
 +
|statement=
 +
Пусть <tex>G</tex> - неориентированный граф и <tex>\delta</tex> - минимальная степень его вершин. Если <tex>n \ge 3</tex> и <tex>\delta \ge n/2</tex>, то  <tex>G</tex> - гамильтонов граф.
 +
|proof=
 +
Для <tex>\forall k</tex> верна импликация <tex>d_k \le k < n/2 \Rightarrow d_{n-k} \ge n-k</tex>, поскольку левая её часть всегда ложна.
 +
}}
  
 
== Источники ==
 
== Источники ==

Версия 07:40, 1 декабря 2011

Теорема

Лемма (о длине цикла):
Пусть [math]G[/math] - произвольный неориентированный граф и [math]\delta[/math] - минимальная степень его вершин. Если [math]\delta \ge 2[/math], то в графе [math]G[/math] существует цикл [math]C[/math] длиной [math]l \ge \delta + 1[/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
Рассмотрим путь максимальной длины [math]P = v_0 v_1 .. v_s[/math]. Все смежные с [math]v_0[/math] вершины лежат на [math]P[/math]. Обозначим [math]k = max\{i: v_0 v_i \in E\}[/math]. Тогда [math]\delta \le deg\ v_0 \le k[/math]. Цикл [math]C = v_0 v_1 .. v_k v_0[/math] имеет длину [math]l = k + 1 \ge \delta + 1[/math]
[math]\triangleleft[/math]
Теорема (Дирак):
Пусть [math]G[/math] - неориентированный граф и [math]\delta[/math] - минимальная степень его вершин. Если [math]n \ge 3[/math] и [math]\delta \ge n/2[/math], то [math]G[/math] - гамильтонов граф.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]C[/math] - цикл наибольшей длины в графе [math]G[/math]. По лемме его длина [math]l \ge \delta + 1[/math]. Если [math]C[/math] - гамильтонов, то теорема доказана. Предположим обратное, т. е. [math]G \backslash C \ne \varnothing[/math]. Рассмотрим путь [math]P = x..y : P \cap C = \{y\}[/math] наибольшей длины [math]m[/math]. Заметим, что по условию [math]\delta \ge n/2[/math], а значит [math]\delta \ge n - \delta \gt n - l = |V(G \backslash C)|[/math] и каждая вершина из [math]G \backslash C[/math] смежна с некоторыми вершинами из [math]C[/math]. Заметим, что вершина [math]x[/math] не может быть смежна:

  • с вершинами из [math]C[/math], расстояние от которых до [math]y[/math] (по [math]C[/math]) не превышает m. Действительно, пусть вершина [math]v \in C[/math] и расстояние от [math]v[/math] до [math]y[/math] по циклу меньше [math]m[/math]. Тогда этот участок цикла можно заменить на [math]v \rightarrow x \rightarrow P \rightarrow y[/math], длина которого [math]m + 1[/math]. Таким образом образуется цикл большей длины, что противоречит предположению о максимальности цикла [math]C[/math]. Отсюда также следует, что [math]l \gt 2m[/math].
  • двум смежным вершинам на [math]C[/math]. Пусть [math]u, v \in C[/math] и [math]\{(u, v), (u, x), (x, v)\} \in E[/math]. Тогда заменив ребро [math](u, v)[/math] на [math]u \rightarrow x \rightarrow v[/math], увеличим длину цикла на [math]1[/math].
  • вершинам из [math]G \backslash (C \cup P)[/math], поскольку [math]P[/math] максимальный.
Получаем [math]deg\ x \le m + (l - 2m)/2 =l/2 \lt n/2 \le \delta[/math]. Противоречие.
[math]\triangleleft[/math]

Альтернативное доказательство

Теорема (Дирак(альтернативное доказательство)):
Пусть [math]G[/math] - неориентированный граф и [math]\delta[/math] - минимальная степень его вершин. Если [math]n \ge 3[/math] и [math]\delta \ge n/2[/math], то [math]G[/math] - гамильтонов граф.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
Для [math]\forall k[/math] верна импликация [math]d_k \le k \lt n/2 \Rightarrow d_{n-k} \ge n-k[/math], поскольку левая её часть всегда ложна.
[math]\triangleleft[/math]

Источники

Graham, R.L., Groetschel M., and Lovász L., eds. (1996). Handbook of Combinatorics, Volumes 1