Изменения

Перейти к: навигация, поиск

Теорема Менгера

7789 байт добавлено, 19:05, 4 сентября 2022
м
rollbackEdits.php mass rollback
Теорема Менгера представляет собой группу теорем, связывающих такие понятия на графах как ''<tex>k</tex>-связность'' и ''количество непересекающихся путей'' относительно двух выделенных вершин. Возникают различные варианты очень похожих друг на друга по формулировке теорем в зависимости от того, рассматриваем ли мы ситуацию в ''ориентированном'' или ''неориентированном'' графе, и подразумеваем ли ''реберную <tex>k</tex>-связность'' и ''реберно непересекающиеся пути'' или же ''вершинную <tex>k</tex>-связность'' и ''вершинно непересекающиеся пути''.
 
==Подготовка к доказательству==
Для доказательства мы будем пользоваться развитой раннее [[Определение сети, потока|теорией потоков]]. Кроме базовых определений нам потребуется понятие [[Дополняющая сеть, дополняющий путь| остаточной сети]] (иначе {{---}} дополнительной сети), а также [[Теорема_Форда-Фалкерсона|теорема Форда-Фалкерсона]].
 
Кроме того, потребуется лемма о целочисленности потока, которую сейчас и докажем:
{{Лемма
|about=о целочисленности потока|statement=x&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;Если пропускные способности всех ребер целочисленные (сеть целочислена), то существует максимальный поток, y вершины Gцелочисленный на каждом ребре.|proof=:Для доказательства достаточно рассмотреть [[Алгоритм Форда-Фалкерсона, существует k вершинно непересекающихся пути из x реализация с помощью поиска в yглубину|алгоритм Форда-Фалкерсона]] для поиска максимального потока. Тогда все остальные Алгоритм делает примерно следующее (подробней {{---}} читай в соответствующей статье): :# В начале берем какой-нибудь поток за начальный (например, нулевой).:# В остаточной сети этого потока находим какой-нибудь путь из источника к стоку и увеличиваем поток на пропускную способность этого пути пересекают выбранные k следующим образом.:# Повторяем пункт <tex>2</tex> до тех пор, пока находится хоть какой-то путь в остаточной сети. а) существуют вершины:То, что получится в конце, будет максимальным потоком. В случае целочисленной сети достаточно в качестве начального приближения взять нулевой поток, принадлежащие первым k путями не трудно видеть, такиечто на каждой итерации (в том числе и последней) этот поток будет оставаться целочисленным, что любой новый путь проходит через одну из нихи докажет требуемое.б) на каждом из }} И, наконец, сделаем немного более осознанным в общем-то и так интуитивно понятное утверждение:{{Утверждение|statement=Если в сети, где все пропускные способности ребер равны <tex>1</tex>, существует целочисленный поток величиной <tex>L</tex> то существует и <tex>L</tex> реберно непересекающихся путей не более одной такой вершины .
|proof=
Пусть: Считаем, существуют путичто <tex>u</tex> {{---}} источник, <tex>v</tex> {{---}} сток.: В начале поймем, что если поток не проходящие через одну нулевой, то существует маршрут из таких вершин <mathtex>u</tex> в <tex>v</tex> лежащий только на ребрах с потоком равным <tex>1</tex>x. В самом деле, u_1 ...q...p... u_nесли бы такого маршрута не существовало, yто можно было бы выделить множество вершин до которых такие маршруты из вершины <tex>u</mathtex>существуют, не включающее <tex>v<math/tex>x, v_1 и по нему построить разрез.Поток через такой разрез, очевидно равен нулю, видим противоречие (т.к.q..<tex>f(U,V)=|f|</tex>, смотри [[Разрез, лемма о потоке через разрез|первую лемму]]). v_m :Итак, yнайдем какой-нибудь маршрут из <tex>u</tex> в <tex>v</tex> лежащий только на ребрах где поток равен <tex>1</mathtex> . Удалив все ребра находящиеся в этом маршруте и оставив все остальное неизменным, придем к целочисленному потоку величиной <mathtex>L-1</tex>x, w_1 ...p... w_pЯсно, yчто можно повторить тоже самое еще <tex>L-1</mathtex> тогда последние 2 пути не пересекаются с первыми kраз, а по условию у нас всего k непересекающихся путейи, а не таким образом мы выделим <mathtex>k + 1L</mathtex>реберно непересекающихся маршрутов.
}}
 
==Теорема==
Теперь сама теорема будет тривиальным следствием. В начале сформулируем и докажем реберную версию для случая ориентированного графа.
{{Теорема
|about=Менгера о реберной двойственности в ориентированном графе|statement=Пусть G - конечный, неориентированный граф, Между вершинами <mathtex>\kappa(G) = ku</mathtex> и <mathtex>\Leftrightarrowv</mathtex> существует <tex> для всех пар вершин L<math/tex>xреберно непересекающихся путей тогда и только тогда, y \backepsilon Gкогда после удаления любых <tex>(L-1)</mathtex> ребер существует k вершинно непересекающихся путей путь из x <tex>u</tex> в y<tex>v</tex>.
|proof=
Пусть<tex>\Leftarrow</tex> :Как и прежде, существует лишь пусть <tex>u</tex> {{---}} источник, а <tex>v<math/tex>m {{---}} сток. :Назначим каждому ребру пропускную способность < ktex>1</mathtex> вершинно непересекающихся путей. Тогда все остальные пути будут пересекать эти mсуществует максимальный поток, причем целочисленный на каждом ребре (по лемме можно удалить ). :По теореме Форда-Фалкерсона для такого потока существует разрез с пропускной способностью равной потоку. Удалим в этом разрезе <mathtex>l \le mL-1</mathtex> вершин такребер, чтобы разорвать все добавленные пути и l из выбранных изначально.. Тогда удалив m вершин (l тогда, раз <tex>u</tex> и по одной из оставшихся <mathtex>m - lv</mathtex> путей) мы разорвем все пути из x находятся в y. Однако, по условию необходимо удалить k вершин, чтобы граф потерял связность. Значитразных частях разреза и, предположение неверно. Прямое следствие доказано.Докажем обратное:Между x и y существует k вершинно неперескающихся путей, очевидно, нельзя удалить путь из <tex>u<math/tex>m в < ktex>v</mathtex> вершин так, чтобы граф потерял связностьто в разрезе останется хотя бы еще одно ребро. ПокажемЭто значит, что достаточно удалить k вершин, чтобы граф потерял связностьпропускная способность разреза и вместе с ним величина потока не меньше <tex>L</tex>. Возьмем все пути из x в yА так как поток целочисленный, они пересекут выбранные kто это и означает, причем по лемме можно выбрать не более k точек пересечения. Удалив все вершины пересечения и произвольные вершины из оставшихся что найдется <tex> L</tex> реберно непересекающихся путей (всего не более k) мы порвем все пути. Теорема доказана.
<tex>\Rightarrow</tex>
:Существует <tex> L</tex> реберно непересекающихся путей, а значит, удалив любые <tex>L-1</tex> ребер хотя бы один путь останется не тронутым (принцип Дирихле). Это и означает, что существует путь из <tex>u</tex> в <tex>v</tex>.
}}
{{Теорема
|about=Менгера о вершинной двойственности в ориентированном графе|statement=Пусть G - конечный, неориентированный граф, Между вершинами <mathtex>\lambda(G) = ku</mathtex> и <mathtex>\Leftrightarrowv</mathtex> для всех пар вершин существует <mathtex>xL</tex> вершинно непересекающихся путей тогда и только тогда, y \backepsilon Gкогда после удаления любых <tex>(L-1)</mathtex> вершин существует k реберно непересекающихся путей путь из x <tex>u</tex> в y<tex>v</tex>.
|proof=
:Разобьем каждую вершину на две таким образом:
 
:[[Файл:Menger-vertex.JPG]]
 
:''(все входящие ребра заходят в левую вершину, исходящие выходят из правой. между двумя новыми вершинами добавляем ребро)''
 
:Теперь задача практически сведена к первой теореме.
:Необходимо лишь отметить, что если в старом графе пути вершинно пересекаются, то в новом графе пути необходимо реберно пересекаются и наоборот.
:Кроме того, предложение "удалить в исходном графе любые <tex>L</tex> вершин" можно заменять на "в новом графе можно удалить любые <tex>L</tex> ребер" (достаточно выбирать вершины на концах этих ребер). Можно заменять и обратно, если учесть, что можно удалять ребра между парой вершин, которые раньше были одним целым.
}}
<includeonly>
Теоремы для неориентированного графа формулируются идентично, а их доказательства сводятся к своим ориентированным двойникам путем замены каждого ребра на две дуги:
 
[[Файл:Menger_undirected.JPG‎]]
</includeonly>
 
==См. также==
*[[Теорема Менгера, альтернативное доказательство]]
* [[wikipedia:Menger's theorem | Wikipedia {{---}} Menger's theorem ]]
 
==Источники информации==
* Ловас Л., Пламмер М. {{---}} '''Прикладные задачи теории графов. Теория паросочетаний в математике, физике, химии''' (глава 2.4 стр. 117) {{---}} 1998. {{---}} 656 с. {{---}} ISBN 5-03-002517-0
* Харари Ф. '''Теория графов.''' глава 5 — М.: Мир, 1973. (Изд. 3, М.: КомКнига, 2006. — 296 с.)
 
[[Категория:Алгоритмы и структуры данных]]
[[Категория:Связность в графах]]
1632
правки

Навигация