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着色问题

边着色问题

图的边着色,本质上是对应实际问题中的“划分”问题或“分类” 问题。

\(G\) 的边进行着色,若相邻边着不同颜色,则称对 \(G\) 进行正常边着色

在对 \(G\) 正常边着色时,着相同颜色的边集称为该正常边着色的一个色组

如果能用 \(k\) 种颜色对图 \(G\) 进行正常边着色,称 \(G\)\(k\) 边可着色的

\(G\) 进行正常边着色需要的最少颜色数称为 \(G\)边色数,记为:

\[ \chi'(G) \]

着色需要满足相邻边着不同色,所以很自然地有:(对于无环图)

\[ \chi'(G)\geq\Delta \]

也就是边色数以最大顶点度为下限

二部图

\[ \chi'(K_{m,n})=\Delta \]

证明

假设:

  • \(n\gt m\)
  • 所以 \(\Delta=n\)
  • \(X=\{x_0,x_1,\cdots,x_{m-1}\}\)
  • \(Y=\{y_0,y_1,\cdots,y_{n-1}\}\)
  • \(n\) 个颜色集合为:\(\{0,1,2,\cdots,n-1\}\)

\(\pi\)\(K_{m,n}\) 的一个 \(n\) 着色方案,满足:

\[ \forall x_i y_j\in E(K_{m,n}),\ \ \pi(x_iy_j)=(i+j)(\bmod n) \]

\(K_{m,n}\) 中任意两条邻接边 \(x_iy_j\)\(x_iy_k\) ,若二者在 \(\pi\) 中着色相同,即 \(\pi(x_iy_j)=\pi(x_iy_k)\) ,则有:

\[ (i+j)(\bmod n)=(i+k)(\bmod n) \Rightarrow j=k \]

于是 \(x_iy_j=x_iy_k\) ,所以 \(\pi\) 是一个正常的 \(n\) 着色(满足相邻边着不同色)。也即 \((X,Y)\)\(n\) 可着色的。

同时 \(\chi'(K_{m,n})\geq\Delta=n\) ,所以 \(\chi'(K_{m,n})=n\)

偶图(哥尼定理)

偶图 \(G\) 的边色数:

\[ \chi'(G)=\Delta \]

证明可利用数学归纳法

\(m=1\) 时,\(\Delta=1\),有 \(\chi'(G)=\Delta=1\) 成立。

设对于小于 \(m\) 条边的偶图来说命题成立。

\(G\) 是具有 \(m\) 条边的偶图。

\(uv\in G\) , 考虑 \(G_1=G-uv\), 由归纳假设有:

\[ \chi'(G_1)=\Delta(G_1)\leq\Delta(G) \]

这说明, \(G\) 存在一种 \(\Delta(G)\) 边着色方案 \(\pi\) . 对于该着色方案,因为 \(uv\) 未着色,所以点 \(u\)\(v\) 均至少缺少一种色。


情形 1:如果 \(u\)\(v\) 均缺同一种色 \(i\)

则在 \(G_1+uv\) 中给 \(uv\) 着色 \(i\) , 而 \(G\) 其它边按 \(\pi\) 方案着色。这样得到 \(G\)\(\Delta\) 着色方案,所以: \(\chi'(G)=\Delta\)


情形 2:如果 \(u\) 缺色 \(i\) , 而 \(v\) 缺色 \(j\) , 但不缺色 \(i\)

\(H(i,j)\) 表示 \(G\) 中由 \(i\) 色边与 \(j\) 色边导出的子图。显然,该图每个分支是 \(i\) 色边和 \(j\) 色边交替出现的路或圈。 对于 \(H(i,j)\) 中含点 \(v\) 的分支来说,因 \(v\) 缺色 \(j\) , 但不缺色 \(i\) , 所以,在 \(H(i,j)\) 中,点 \(v\) 的度数为 1。这说明,\(H(i,j)\) 中含 \(v\) 的分支是一条路 \(P\) . 进一步地,我们可以说明,上面的路 \(P\) 不含点 \(u\) .因为,如果 \(P\) 含有点 \(u\) , 那么 \(P\) 必然是一条长度为偶数的路,这样,\(P+uv\)\(G\) 中的奇圈,这与 \(G\) 是偶图矛盾!

既然 \(P\) 不含点 \(u\) , 所以我们可以交换 \(P\) 中着色,而不破坏 \(G_1\) 的正常边着色。但交换着色后,\(v\) 就变成缺色 \(j\) , 但不缺色 \(i\)\(u\)\(v\) 均缺色 \(i\) , 于是由情形 1, 可以得到 \(G\)\(\Delta\) 正常边着色,即证明 \(\chi'(G)=\Delta\)

一般简单图

引理

\(G\) 是简单图,\(x\)\(y\)\(G\) 中两个不相邻的顶点,\(\pi\)\(G\) 的一个正常 \(k\) 边着色。若对该着色,\(x,y\) 以及与 \(x\) 相邻的点均至少缺少一种颜色,则 \(G+xy\) 也是 \(k\) 边可着色的

维津定理(Vizing)

若图 \(G\) 是简单图,则 \(\chi'(G)=\Delta\)\(\chi'(G)=\Delta+1\)


只需要证明 \(\chi'(G)≤\Delta+1\) 即可。 对 \(G\) 的边数 \(m\) 作数学归纳证明。

\(m=1\) 时,\(\Delta=1\), \(\chi'(G)=1<Δ+1\)

设当边数少于 \(m\) 时,结论成立。下面考虑边数为 \(m≥2\) 的单图 \(G\)

\(xy\in E(G)\) , 令 \(G_1=G-xy\). 由归纳假设有:

\[ \chi'(G_1)≤\Delta(G_1)+1≤\Delta(G)+1 \]

于是,存在 \(G_1\)\(\Delta(G)+1\) 正常边作色 \(\pi\)。显然 \(G\) 的每个顶点都至少缺少一种颜色。根据引理知 \(G+xy\)\(\Delta(G) +1\) 可着色的。即证明: \(\chi'(G) ≤ \Delta(G)+1\)

充分条件 1

::: primary 给出了 Vizing 定理结论中 \(\chi'(G)=\Delta\) 情况的充分条件\(G\) 是单图且 \(\Delta(G)>0\)。若 \(G\) 中只有一个最大度点或恰有两个相邻的最大度点,则:

\[ \chi'(G)=\Delta(G) \]

充分条件 2

::: primary 给出了 Vizing 定理结论中 \(\chi'(G)=\Delta+1\) 情况的充分条件\(G\) 是单图。若点数 \(n=2k+1\) 且边数 \(m>k\Delta\),则:

\[ \chi'(G)=\Delta(G)+1 \]

证明可利用反证法,若不然,由维津定理,\(\chi'(G)=\Delta(G)\)

\(\pi\)\(G\)\(\Delta(G)\) 正常边着色方案,对于 \(G\) 的每个色组来说,包含的边数至多 \(\frac{n-1}{2}=k\)。这样:\(m(G)≤\Delta k\),与条件矛盾。

充分条件 3

::: primary 给出了 Vizing 定理结论中 \(\chi'(G)=\Delta+1\) 情况的充分条件\(G\) 是奇数阶 \(\Delta\) 正则单图,若 \(\Delta>0\),则:

\[ \chi'(G)=\Delta(G)+1 \]

证明:

\(n=2k+1\),因 \(G\)\(\Delta\) 正则单图,且 \(\Delta>0\),所以:

\[ m(G)=\frac{n\Delta}{2}=\frac{(2k+1)\Delta}{2}\gt k\Delta \]

由定理 \(\chi'(G)=\Delta(G)+1\)

无环有重边图

维津定理(Vizing)

设无环图 \(G\) 中边的最大重数为 \(\mu\)​,则:

\[ \chi'(G)\leq\Delta(G)+\mu \]

其中 \(\leq\) 边界是紧的,也就是等号是可以相等的。

边着色的应用

排课表问题

\(X,Y\) 分别表示教师、教学班的集合:

\[ X=\{x_1,x_2,\cdots,x_m\}\\ Y=\{y_1,y_2,\cdots,y_n\} \]

\(x_i\)\(y_j\) 间连 \(p_{ij}\) 条边,得二部图 \(G=(X,Y)\)

求最少排多少节课的问题,每节课可以有多个教学班同时上课,转化为如何在 \(G\) 中将边集 \(E\) 划分为互不相交的 \(p\) 个匹配,且使得 \(p\) 最小

如果每个匹配中的边用同一种颜色着色,不同匹配中的边不同颜色,则问题转化为在 \(G\) 中给每条边着色,相邻边着不同色,至少需要的颜色数

比赛安排问题

玩家为顶点,2 个玩家间进行一次比赛为一条边,求最少安排多少场比赛,每场比赛可以有多对玩家同时比赛。

Abstract

基于圈的边着色问题和顶点着色问题是完全等价的,因为边和点可互换。

顶点着色

对图 \(G\) 的每个顶点着色,使得相邻顶点着不同颜色,称为对 \(G\)正常顶点着色

如果用 \(k\) 种颜色可以对 \(G\) 进行正常点着色,称 \(G\)\(k\) 可着色的

着同一种颜色的顶点集合称为一个色组,它们彼此互不相邻,所有又称为点独立集

\(G\) 正常顶点着色需要的最少颜色数,称为图 \(G\)点色数,简称色数,记为:

\[ \chi(G) \]

色数为 \(k\) 的图称为 \(k\) 色数图

色数上界

对任意的无环图 \(G\),均有:

\[ \chi(G)\leq\Delta+1 \]

任意一个顶点度数至多为 \(\Delta\), 因此,正常着色过程中,其邻点最多用去 \(\Delta\) 种颜色,所以,至少还有一种色可供该点正常着色使用。


证明 :我们对顶点数作数学归纳证明。

\(n=1\) 时,结论显然成立。

设对顶点数少于 \(n\) 的图来说,定理结论成立。考虑一般的 \(n\) 阶图 \(G\),任取 \(v\in V(G)\),令 \(G_1=G-v\), 由归纳假设:

\[ \chi(G_1)\leq\Delta(G_1)+1\leq\Delta(G)+1 \]

\(\pi\)\(G_1\) 的一种 \(\Delta(G_1)+1\)正常点着色方案,因为 \(v\) 的邻点在 \(\pi\) 下至多用去 \(\Delta(G)\) 种色,所以给 \(v\) 染上其邻点没有用过的色,就把 \(\pi\) 扩充成了 \(G\)\(\Delta(G_1)+1\) 着色方案。

最大色数的正常着色算法

\(G=(V,E)\)\(V=\{v_1,v_2,\cdots,v_n\}\),色集合 \(C=\{1,2,\cdots,\Delta+1\}\),着色方案为 \(\pi\).

  • (1) 令 \(\pi(v_1)=1\)
  • (2) for i in 1..n 循环 \(n-1\) 次:(若 \(i=n\),则停止)
  • 令:\(C(v_{i+1})=\{\pi(v_j)|j≤i,\ v_j\ \text{adj}\ v_{i+1}\}\)
  • \(k\)\(C-C(v_{i+1})\) 中的最小整数;
  • \(\pi(v_{i+1})=k\)

Welsh-Powell 稍微对上面算法做了一个修改,着色时按所谓最大度优先策略,即使用上面算法时,\(V=\{v_1,v_2,\cdots,v_n\}\) 按顶点度数由大到小的次序着色。这样的着色方案起到了对上面算法的一个改进作用,有机会得到色数更小的结果。

布鲁克斯定理

给出了一些图的更小的上界

\(G\) 是连通的单图,并且它既不是奇圈,又不是完全图,则:

\[ \chi(G)\leq\Delta(G) \]

次大度

\(G\) 是至少有一条边的简单图,定义:

\[ \Delta_2(G)=\max_{u\in V(G)}\max_{\begin{aligned} v\in N(u)\\ d(v)\leq d(u) \end{aligned}} d(v) \]

其中 \(N(u)\)\(G\) 中点 \(u\) 的邻域。称 \(\Delta_2(G)\)\(G\) 的次大度

布鲁斯克定理的改进

\[ \chi(G)\leq\Delta_2(G)+1 \]

\(G\) 是非空简单图,若 \(G\) 中最大度点互不邻接,则有:

\[ \chi(G)\leq\Delta(G) \]

四色和五色定理

四色定理

五色定理

希伍德。

对任意简单图,都有:

\[ \chi\leq5 \]

该定理说明每个平面图是 5 可着色的。根据平面图和其对偶图的关系,该定理等价于每个平面图是 5 可顶点正常着色的。