Хроматический многочлен

Определение:

Хроматический многочлен полного графа

[math]P(K_{n},x)=x(x-1)...(x-n+1)=x^{\underline{n}}[/math], так как первую вершину полного графа [math]K_{n}[/math] можно окрасить в любой из [math]x[/math] цветов, вторую - в любой из оставшихся [math]x-1[/math] цветов и т. д. Очевидно, что если [math]x[/math] меньше [math]n[/math], то и многочлен равен [math]0[/math], потому что один из его множителей [math]0[/math].
Примечание. В некоторых источниках [math]x^{\underline{n}}[/math] ([math]x[/math] в [math]n[/math]-убывающей) обозначают [math]x^{(n)}[/math]. Это не очень удобно, так как легко спутать с [math]n[/math]-ой производной.

Хроматический многочлен пустого графа

[math]P(O_{n},x)=x^{n}[/math], так как каждую из [math]n[/math] вершин нулевого графа [math]O_{n}[/math] можно независимо окрасить в любой из [math]x[/math] цветов.
Примечание. Нулевой граф [math]O_{n}[/math] также можно обозначать [math]\overline{K_{n}}[/math] (дополнительный граф для полного графа [math]K_{n}[/math]).

Хроматический многочлен дерева

Теорема (хроматический многочлен дерева):

Граф [math]G[/math] с [math]n[/math] вершинами является деревом тогда и только тогда, когда [math]P(G,x)=x(x-1)^{n-1}[/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Сначала покажем, что хроматический многочлен любого дерева [math]T[/math] с [math]n[/math] вершинами есть [math]x(x-1)^{n-1}[/math]. Доказательство индукцией по числу [math]n[/math]. Для [math]n=1[/math] и [math]n=2[/math] результат очевиден. Предположим, что [math]P(T',x)=x(x-1)^{n-2}[/math] для любого дерева [math]T'[/math] с количеством вершин равным [math]n-1[/math]. Пусть [math]uv[/math] - ребро дерева [math]T[/math], такое что [math]v[/math] является висячей вершиной. Хроматический многочлен дерева [math]T[/math] без ребра [math]uv[/math] равен [math]P(T/uv,x)=x(x-1)^{n-2}[/math] по нашему предположению. Вершину [math]v[/math] можно окрасить [math]x-1[/math] способом, так как её цвет должен только лишь отличаться от цвета вершины [math]u[/math]. Итого: [math]P(T,x)=(x-1)P(T/uv,x)=x(x-1)^{n-1}[/math]. Обратно, пусть [math]G[/math] - граф, у которого [math]P(G,x)=x(x-1)^{n-1}[/math]. Тогда верны 2 следующих утверждения: 1. Граф [math]G[/math] связен, потому что если было бы 2 компоненты связности (или больше), то [math]P(G,x)[/math] делился бы на [math]x^2[/math] без остатка. 2. В графе [math]G[/math] количество рёбер равно [math]n-1[/math], так как по теореме о коэффициентах хроматического многочлена, количество рёбер в графе соответствует коэффициенту при [math]x^{n-1}[/math], взятому со знаком минус. В нашем случае, этот коэффициент удобно искать, используя бином Ньютона: [math]{P(G,x)=x(x-1)^{n-1}=x(x^{n-1}-\begin{pmatrix}n-1\\1\end{pmatrix}x^{n-2}+\begin{pmatrix}n-1\\2\end{pmatrix}x^{n-3}-...+(-1)^{n-1})=x^{n}-(n-1)x^{n-1}+...+(-1)^{n-1}x}[/math] Из этих двух утверждений (связность и [math]n-1[/math] ребро) следует, что граф [math]G[/math] является деревом (см. Дерево, эквивалентные определения, теорема, утверждения 1 и 3).

[math]\triangleleft[/math]

Литература

Асанов М. О., Баранский В. А., Расин В. В. - Дискретная математика: Графы, матроиды, алгоритмы: Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. - СПб.: Издательство "Лань", 2010. - 368 с.: ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература). ISBN 978-5-8114-1068-2