Теорема Хватала

Теорема (Хватала):

Пусть G - связный граф, количество вершин которого не меньше 3. Упорядочим степени вершин G по неубыванию. Если для [math]\forall k[/math] верна импликация [math](d_k \le k \lt n/2 \Rightarrow d_{n-k} \ge n-k) (*) [/math], то G - гамильтонов.

Прежде, чем доказать теорему, добавим несколько лемм.

Лемма (I):

Если [math]\ d_k \le k [/math], то число вершин, степень которых не превосходит [math]\ k [/math], больше или равно [math]\ k [/math]. Верно и обратное утверждение.

Лемма (II):

Если [math]\ d_n-k \ge n-k [/math], то число вершин, степень которых не меньше [math]\ n-k [/math], больше или равно [math]\ k+1 [/math]. Верно и обратное утверждение.

Лемма (III):

Пусть [math]\ (*) [/math] выполнена для последовательности [math]\ d_1, d_2, ... , d_n [/math]. Пусть [math]\ d_1 \le d_1' , ... , d_n \le d_n' [/math]. Тогда [math]\ (*) [/math] выполнена и для [math]\ d_1', ... , d_n' [/math]

Лемма (IV):

Если условие [math]\ (*) [/math] верно для некоторой последовательности степеней, то оно верно и для мажорирующей ее последовательности

Теперь вернемся к доказательству теоремы.

Теорема (Хватала):

Формулировка приведена выше.

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Приведем доказательство от противного. Пусть теорема Хватала не верна, есть граф , где [math]\ n \ge 3 [/math], удовлетворяющий условию [math]\ (*) [/math], но не гамильтонов. Будем добавлять в него ребра до тех пор, пока не получим максимально возможный негамильтонов граф G(т.е. добавление еще одного ребра сделает граф G гамильтоновым). Добавление ребер не противоречит условию [math]\ (*) [/math]. Очевидно, что граф [math]\ K_n [/math] гамильтонов для [math]\ k \ge 3 [/math]. Будем считать G максимальным негамильтоновым остовным подграфом графа [math]\ K_n [/math]. Выберем две несмежные вершины U и V графа G с условием : [math]\ degU + degV [/math] - максимально. Будем считать, [math]\ degU \le degV [/math]. Добавив к G новое ребро [math]\ e = UV [/math], получим гамильтонов граф G + UV. Рассмотрим гамильтонов цикл графа G + UV : в нем обязательно присутствует ребро UV. Отбрасывая ребро UV, получим гамильтонову (U, V)-цепь в графе G : [math]\ U = U_1 - U_2 - ... - U_n = V [/math]. Пусть [math]\ S = \{i|e_i = U_1 U_{i+1} \in E(G)\} [/math] Пусть [math]\ T = \{i|f_i = U_i U_n \in E(G)\} [/math] [math]\ S \cap T = \empty [/math], иначе в графе G есть гамильтонов цикл. Пусть j [math] \in S \cap T [/math]. Тогда получим гамильтонов цикл графа G : [math]\ U_1 - U_{j+1} - U_{j+2} - ... - U_n - U_j - U_{j-1} - ... - U_1 [/math] Из определений [math]\ S [/math] и [math]\ T [/math] следует, что [math]\ S \cup T \sube \{1, 2, ..., n - 1 \} [/math] , поэтому [math]\ 2degU \le degU + degV = |S| + |T| = |S \cup T| \lt n [/math], т.е. [math]\ degU \lt n/2 [/math] Т.к. [math]\ S \cap T = \empty [/math], ни одна вершина [math]\ U_j [/math] не смежна с [math]\ V = U_n [/math] ([math] для j \in S [/math]). Отсюда в силу выбора [math]\ U [/math] и [math]\ V [/math] имеем [math]\ degU_j \le degU [/math]. Положим [math]\ k = degU [/math]. Тогда имеется по крайней мере [math]\ |S| = degU = k [/math] вершин, степень которых не превосходит k. В силу леммы(I) выполняется : [math]\ d_k \le k \lt n/2 [/math] По условию [math]\ (*) [/math] получаем : [math]\ d_{n-k} \ge n-k [/math] В силу леммы(II) имеется по крайней мере [math]\ k+1 [/math] вершин, степень которых не меньше [math]\ n-k [/math] Так как [math]\ k = degU [/math], то вершина [math]\ U [/math] может быть смежна, самое большее, с [math]\ k [/math] из этих [math]\ k+1 [/math] вершин. Значит существует вершина [math]\ W [/math], несмежная с [math]\ U [/math], для которой [math]\ degW \ge n-k [/math]. Но тогда получим [math]\ degU + degW \ge k + (n - k) = n \gt degU + degV [/math], что противоречит выбору [math]\ U [/math] и [math]\ V [/math].

[math]\triangleleft[/math]