細分

細分

若某兩個圖都能從同一個圖經細分後得到,則稱它們同胚,圖的同胚是兩個圖之間的一種關係。 邊細分是指從一個非空圖依如下方式得到另一個圖:去掉這個圖上的一條邊,添上一個新節點,並讓這個新節點與被去掉的那條邊的兩端點分別有一條邊相連。 細分就是從一個非空圖經一系列邊細分所得到一個新圖。

概念

定義一

設G是一個平面圖,通過刪除G的一條邊(x,y),並且添加一個新結點a和兩條邊(x,a)與(a,y)(所獲得的任何圖也是平面圖)。這樣的操作稱為初等細分。若可以從相同的圖G通過一系列初等細分來獲得圖G₁和G₂,稱G₁和G₂是同胚的(homeomorphism)。

如圖1、2、3所示的三個圖G₁、G₂和G₃都是同胚的。

圖1 圖1
圖2 圖2
圖3 圖3

定義二

設G=(V,E)是一個圖,e=uv是圖G的一條邊,w不是G的頂點,則當增加二度點w且用uw和vw代替邊e時,就稱邊e被細分.若圖H是由G經過一系列邊的細分而得到,則稱H為圖G的剖分圖(或細分圖).若兩個圖都是某一個圖的剖分圖,則這兩個圖稱為同胚的(或二度頂點內同胚).簡單圖G收縮邊wuv是將G的邊uv去掉,並將頂點u和v合併成一個新頂點.圖G可收縮成圖H.是指G可經過一系列的邊收縮而變成H.如果H是G的剖分圖,則G一定是H通過收縮一系列2度點所得到的收縮圖.

相關定理

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Kuratowski定理 圖G是可平面的,若且唯若 和 的任何細分圖都不是G的子圖。

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根據對細分圖的描述,我們知道不僅 和 是不允許作為子圖出現的,而且它們的任何邊細分圖也是不允許的子圖,記住這一點很重要:違禁子圖不應被歸納出來。如果它們的確出現了,G就是不可平面的。

例題

例1 證明Peterson圖是不可平面的。

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證明 我們首先嘗試使用定理“如果G是n結點(n≥3)q邊的可平面圖,則q≤3n一6”。Peterson圖有q=15條邊和n=10個結點。代入定理中的不等式,我們得到15≤3(10)-6=24。非常遺憾,這條定理不起作用。滿足這個不等式並不能保證其可平面性,但是如果Peterson圖沒能滿足這個不等式,我們就能得出它是不可平面的。所以我們得換用另一個工具——"圖G是可平面的,若且唯若 和 的任何細分圖都不是G的子圖"。由於 的任何細分圖都有度為4的結點,且Peterson圖是3一正則圖,所以我們只需要尋找 的細分圖。圖4(a)是有標記Peterson圖,(b)是它的子圖同時也是 的細分圖,我們將這個子圖重畫為(c)以澄清它確實是 的子圖。因此,根據定理,Peterson圖的確是不可平面圖。

圖4 圖4

例2 用Kuratowski定理說明圖5所示圖G不是平面圖。

圖5 圖5
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將從圖G中找出一個同胚於 的子圖。圖G中結點a、b、f和e的度數均為4.刪去G中邊(a,b)與(f,e)得到圖G的一個子圖 ,且 中每個結點的度數均為3。再刪去圖 中邊(g,h)得到圖 ,圖 當然是圖G的子圖,且圖 中有兩個2度結點g與f,而圖 同胚於 ,因此圖G不是平面圖。

圖6 圖6
圖7 圖7
圖8 圖8

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