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。
对 \(G\) 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 \(G\) 是 \(k\) 边可着色的;
对 \(G\) 进行正常边着色需要的最少颜色数称为 \(G\) 的边色数,记为:
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)
也就是边色数以最大顶点度为下限。
二部图¶
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:\(\{0,1,2,\cdots,n-1\}\);
令 \(\pi\) 是 \(K_{m,n}\) 的一个 \(n\) 着色方案,满足:
对 \(K_{m,n}\) 中任意两条邻接边 \(x_iy_j\) 和 \(x_iy_k\) ,若二者在 \(\pi\) 中着色相同,即 \(\pi(x_iy_j)=\pi(x_iy_k)\) ,则有:
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 \((X,Y)\) 是 \(n\) 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:
证明可利用数学归纳法
当 \(m=1\) 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。
设 \(G\) 是具有 \(m\) 条边的偶图。
取 \(uv\in G\) , 考虑 \(G_1=G-uv\), 由归纳假设有:
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 \(u\) 与 \(v\) 均至少缺少一种色。
情形 1:如果 \(u\) 与 \(v\) 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 \(G\) 的 \(\Delta\) 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 \(i\)。
设 \(H(i,j)\) 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,\(P+uv\) 是 \(G\) 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 \(i\),\(u\) 与 \(v\) 均缺色 \(i\) , 于是由情形 1, 可以得到 \(G\) 的 \(\Delta\) 正常边着色,即证明 \(\chi'(G)=\Delta\)。
一般简单图¶
引理¶
设 \(G\) 是简单图,\(x\) 与 \(y\) 是 \(G\) 中两个不相邻的顶点,\(\pi\) 是 \(G\) 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 \(\chi'(G)=\Delta\) 或 \(\chi'(G)=\Delta+1\)。
只需要证明 \(\chi'(G)≤\Delta+1\) 即可。 对 \(G\) 的边数 \(m\) 作数学归纳证明。
当 \(m=1\) 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 \(G\)。
设 \(xy\in E(G)\) , 令 \(G_1=G-xy\). 由归纳假设有:
于是,存在 \(G_1\) 的 \(\Delta(G)+1\) 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 \(G+xy\) 是 \(\Delta(G) +1\) 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 设 \(G\) 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:
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 设 \(G\) 是单图。若点数 \(n=2k+1\) 且边数 \(m>k\Delta\),则:
证明可利用反证法,若不然,由维津定理,\(\chi'(G)=\Delta(G)\)。
设 \(\pi\) 是 \(G\) 的 \(\Delta(G)\) 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 设 \(G\) 是奇数阶 \(\Delta\) 正则单图,若 \(\Delta>0\),则:
证明:
设 \(n=2k+1\),因 \(G\) 是 \(\Delta\) 正则单图,且 \(\Delta>0\),所以:
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:
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:
\(x_i\) 与 \(y_j\) 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 \(G\) 的正常顶点着色;
如果用 \(k\) 种颜色可以对 \(G\) 进行正常点着色,称 \(G\) 是 \(k\) 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;
图 \(G\) 正常顶点着色需要的最少颜色数,称为图 \(G\) 的点色数,简称色数,记为:
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:
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。
当 \(n=1\) 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:
设 \(\pi\) 是 \(G_1\) 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 \(G\) 的 \(\Delta(G_1)+1\) 着色方案。
最大色数的正常着色算法¶
设 \(G=(V,E)\),\(V=\{v_1,v_2,\cdots,v_n\}\),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:\(C(v_{i+1})=\{\pi(v_j)|j≤i,\ v_j\ \text{adj}\ v_{i+1}\}\);
- 设 \(k\) 为 \(C-C(v_{i+1})\) 中的最小整数;
- 令 \(\pi(v_{i+1})=k\);
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
若 \(G\) 是连通的单图,并且它既不是奇圈,又不是完全图,则:
次大度¶
设 \(G\) 是至少有一条边的简单图,定义:
其中 \(N(u)\) 为 \(G\) 中点 \(u\) 的邻域。称 \(\Delta_2(G)\) 为 \(G\) 的次大度。
布鲁斯克定理的改进
设 \(G\) 是非空简单图,若 \(G\) 中最大度点互不邻接,则有:
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:
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。