Euler-formula, síkbarajzolható gráfok, szabályos testek

Hasonló dokumentumok
Síkbarajzolható gráfok Április 26.

Síkbarajzolható gráfok, duális gráf

Megoldások 7. gyakorlat Síkgráfok, dualitás, gyenge izomorfia, Whitney-tételei

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Diszkrét matematika 2.

Diszkrét matematika 1. estis képzés

Ramsey-féle problémák

Diszkrét matematika 2.

Geometria 1 normál szint

Síkba rajzolható gráfok

Geometria 1 normál szint

Diszkrét matematika 2.

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Diszkrét matematika 2. estis képzés

11. előadás. Konvex poliéderek

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Gráfelmélet II. Gráfok végigjárása

Diszkrét matematika 2.

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Geometria. a. Alapfogalmak: pont, egyenes, vonal, sík, tér (Az alapfogalamakat nem definiáljuk)

Diszkrét matematika 1. estis képzés

Euler tétel következménye 1:ha G összefüggő síkgráf és legalább 3 pontja van, akkor: e 3

Diszkrét matematika 2.C szakirány

10. előadás. Konvex halmazok

1. tétel - Gráfok alapfogalmai

Síkgráfok (négyszín-tétel, Kuratowski-tétel, Euler-formula)

Diszkrét matematika 2. estis képzés

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Gráfelméleti alapfogalmak-1

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Gráfelmélet

Diszkrét matematika 2.

JOHANNES KEPLER (Weil der Stadt, december 27. Regensburg, Bajorország, november 15.)

Gráfelméleti alapfogalmak

HAMILTON ÚT: minden csúcson PONTOSAN egyszer áthaladó út

Gráfelmélet. I. Előadás jegyzet (2010.szeptember 9.) 1.A gráf fogalma

17. előadás: Vektorok a térben

3. előadás. Elemi geometria Terület, térfogat

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2010/2011-es tanév 1. forduló haladók III. kategória

1. Az ábrán látható táblázat minden kis négyzete 1 cm oldalhosszúságú. A kis négyzetek határvonalait akarjuk lefedni. Meg lehet-e ezt tenni

Alapfogalmak II. Def.: Egy gráf összefüggő, ha bármely pontjából bármely pontjába eljuthatunk egy úton.

1. megold s: A keresett háromjegyű szám egyik számjegye a 3-as, a két ismeretlen számjegyet jelölje a és b. A feltétel szerint

Középpontos hasonlóság szerkesztések

Feladatok, amelyek gráfokkal oldhatók meg 1) A königsbergi hidak problémája (Euler-féle probléma) a

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Gráf csúcsainak színezése. The Four-Color Theorem 4 szín tétel Appel és Haken bebizonyították, hogy minden térkép legfeljebb 4 színnel kiszínezhető.

10. Koordinátageometria

24. tétel. Kombinatorika. A grá fok.

Érdemes egy n*n-es táblázatban (sorok-lányok, oszlopok-fiúk) ábrázolni a két színnel, mely éleket húztuk be (pirossal, kékkel)

SzA X/XI. gyakorlat, november 14/19.

Gráfok színezése Diszkrét matematika 2009/10 sz, 9. el adás

Koordináta-geometria feladatok (emelt szint)

Oktatási Hivatal. 1 pont. A feltételek alapján felírhatók az. összevonás után az. 1 pont

SzA II. gyakorlat, szeptember 18.

HAMILTON KÖR: minden csúcson PONTOSAN egyszer áthaladó kör. Forrás: (

Koordináta geometria III.

Koordináta-geometria feladatok (középszint)

352 Nevezetes egyenlôtlenségek. , az átfogó hossza 81 cm

5. házi feladat. AB, CD kitér élpárra történ tükrözések: Az ered transzformáció: mivel az origó xpont, így nincs szükség homogénkoordinátás

Mindent olyan egyszerűvé kell tenni, amennyire csak lehet, de nem egyszerűbbé.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

V. Békés Megyei Középiskolai Matematikaverseny 2012/2013 Megoldások 11. évfolyam

5. előadás. Skaláris szorzás

Háromszögek, négyszögek, sokszögek 9. évfolyam

Feladatok Házi feladat. Keszeg Attila

Matematika 11 Koordináta geometria. matematika és fizika szakos középiskolai tanár. > o < szeptember 27.

A GEOMETRIA TÉMAKÖR FELOSZTÁSA. Síkgeometria Térgeometria Geometriai mérések Geometriai transzformációk Trigonometria Koordináta-geometria

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Mindent olyan egyszerűvé kell tenni, amennyire csak lehet, de nem egyszerűbbé. (Albert Einstein) Halmazok 1

Az 1. forduló feladatainak megoldása

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

Klár Gergely 2010/2011. tavaszi félév

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Geometria III.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Hraskó András, Surányi László: spec.mat szakkör Tartotta: Hraskó András. 1. alkalom

Vektorok és koordinátageometria

8. előadás. Kúpszeletek

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2015/2016-os tanév 1. forduló Haladók III. kategória

Síkbarajzolható gráfok. Ismétlés

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2011/2012 Matematika I. kategória (SZAKKÖZÉPISKOLA) 2. forduló - megoldások. 1 pont Ekkor

Diszkrét matematika 2 (C) vizsgaanyag, 2012 tavasz

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK EMELT SZINT Koordinátageometria

Koordinátageometria. , azaz ( ) a B halmazt pontosan azok a pontok alkotják, amelynek koordinátáira:

Halmazelméleti alapfogalmak

GEOMETRIA 1, alapszint

Diszkrét matematika II. feladatok

44. ORSZÁGOS TIT KALMÁR LÁSZLÓ MATEMATIKAVERSENY. Megyei forduló április 11.

1. Komplex számok. x 2 = 1 és x 2 + x + 1 = 0. egyenletek megoldását számnak tekinthessük:

Németh László Matematikaverseny április 16. A osztályosok feladatainak javítókulcsa

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2016/2017-es tanév Kezdők III. kategória I. forduló

Síkgráfok. 1. Részgráfok, topológikus részgráfok, minorok

x = 1 = ı (imaginárius egység), illetve x 12 = 1 ± 1 4 2

Gráfelmélet/Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. Síkgráfok Előadó: Hajnal Péter

24. szakkör (Csoportelméleti alapfogalmak 3.)

Átírás:

FEJEZET 5 Euler-formula, síkbarajzolható gráfok, szabályos testek "Minden emberi megismerés szemlélettel kezdődik, ebből fogalomalkotásba megy át és eszmékben végződik." I. Kant: A tiszta ész kritikája. Feltételezzük, hogy a Kedves Olvasónak intuitíve elég pontos és korrekt fogalma van a síkgörbékről, bár korrekt és kellően általános görbe fogalommal, később differenciál-geometriai tanulmányaikban találkozni fognak. Megemlítjük például, hogy egy egyszerű zárt Jordan-görbe két diszjunkt tartományra bontja a síkot. Például: egy origó középpontú r sugarú K kör (melynek paraméteres alakja: P (x = r sin(t), y = r cos(t)), ill. implicit alakja: x + y = r ) egy az origót tartalmazó körlapra és az azt körül ölelő végtelen tartományra bontja a síkot. Egy G gráfot síkbarajzolhatónak mondunk, ha a gráf éleit lehet realizálni a síkban olyan vonalakkal, hogy bármely két élnek csak a G gráf csúcspontjaiban lévő végpontjai lehetnek közösek. 1. Euler-formula, gráfok síkbarajzolhatósága 1 T 1 1 T 1 T 3 T 5 T 4 T 5 T 3 3 3 4 4 G 1 G T 4 1. ábra. Az 1. ábra azt mutatja, hogy a G 1 és G gráfok izomorfak, de a síkbarajzolásuk lényegesen különbözik. A G külső végtelen tartományát 6 él határolja, s G 1 -nek nincs hat él által határolt tartománya. A G 1 gráf T tartományát 4 él határolja {(, 3), (3, 4), (4, 5), (5, )}, G -nek viszont csak 3 ill. 6 éllel határolt tartományai vannak. 5.1. Tétel. Bármely G véges gráf realizálható a három dimenziós euklideszi térben. Bizonyítás: Legyen adott a G = (E, ϕ, V ) gráf. Vegyünk fel a térben egy t egyenest, az egyenesen n = V páronként különböző V i (i = 1,,..., n) pontot, és a t egyenesre illeszkedő q = E páronként különböző S i (i = 1,,..., q) síkot, és mindegyik síkban P i (i = 1,,..., q) 60

E m 5. EULER-FORMULA, GRÁFOK SÍKBARAJZOLHATÓSÁGA 61 pontot, olyat mely nem illeszkedik t-re. Ha az e t él a v i és a v j pontokat kötötte össze azaz ϕ(e t ) = (v i, v j ), akkor kössük össze a V i pontot P t -vel egy u egyenes szakasszal, s P t -t is V j -vel kösse össze egy w szakasz. Az e t élt az előbb megkonstruált V i -ből V j -be menő töröttvonal fogja reprezentálni. A konstrukció alapján nyilvánvaló, hogy az éleknek megfelelő töröttvonalak csak a gráf csúcsainak kijelölt V i pontokban találkozhatnak. S 1 S Sm V n V n-1 V n- P m V 4 P E 3 V 3 V P 1 E 1 V 1,t. ábra. A következőkben olyan egyszerű összefüggő síkbeli gráfokkal foglalkozunk, melyek ún. sokszöghálót alkotnak. Sokszöghálót alkotnak abban az értelemben, hogy felbonthatók olyan minimális körökre, melyek a belsejükben már nem tartalmaznak a gráfnak semmilyen pontját, e köröket fogjuk tartományoknak nevezni (vagy országoknak). A gráf minden csúcsának foka nagyobb mint kettő, bármely él pontosan két tartományt határol. Afrika térképéből a következő módon kaphatunk egy sokszöghálót. Ha Madagaszkárt mint szigetet figyelmen kívül hagyjuk, továbbá Lesotho-t sem ábrázoljuk, mivel a Dél-Afrikai Köztársaság belsejében fekszik, továbbá az országhatárokat és a tengerpartokat éleknek tekintjük. A gráf csúcspontjainak tekintjük azon pontokat, ahol legalább három él találkozik, akkor egy sokszöghálót kapunk. Egy-egy országnak megfelelő minimális kört (minimális abban az értelemben, hogy belseje nem tartalmazza a gráf semelyik csúcspontját) tartománynak, vagy országnak nevezzünk. Az Afrikát körülvevő tartományt végtelen tartománynak nevezzük.

6 5. EULER-FORMULA, SÍKBARAJZOLHATÓ GRÁFOK, SZABÁLYOS TESTEK 3. ábra. Térképészetben gyakran használt eljárás a sztereografikus projekció, mikor is egy G gömb és egy S sík pontjai között létesítünk egy megfeleltetést. Tételezzük fel, hogy a G gömbünk egy D pontban érinti a síkot. A D pont átellenes pontja legyen E (gondoljon a déli ill. az északi sarkra). A sík valamely P pontjának gömbi megfelelőjét P -t megkapjuk, ha a P -t E-vel összekötő egyenesnek vesszük a G gömbbel a metszéspontját. A sztereografikus projekcióval a síkon ábrázolhatunk egy gömbre rajzolt gráfot és fordítva, egy síkba rajzolt gráfot izomorf módon ábrázolhatunk a gömbön. E P P D S 4. ábra. Legyen a G = (E, ϕ, V ) gráf egy sokszöggráf, éleinek a számát q, csúcsainak számát n, tartományainak számát t, és komponenseinek a számát jelölje c. 5.. Tétel (Euler-formula). Ha G síkgráf, akkor n q + t = 1 + c. (EF) Megjegyzés. Ha G erdő, akkor t = 1, c = k, q = n k és nyilván igaz, hogy n (n k)+1 = 1 + k.

5. EULER-FORMULA, GRÁFOK SÍKBARAJZOLHATÓSÁGA 63 Bizonyítás: A G gráf élei száma szerinti teljes indukcióval bizonyítunk. Ha a G éleinek a száma q = 0, akkor a tartományok száma t = 1 és a komponensek száma ugyancsak n, azaz a csúcspontok számával egyenlő. Legyen az állítás igaz q = k-ra, s bizonyítsuk, hogy igaz q = k + 1-re is. Tegyük fel, hogy a k + 1-edik e él G-nek hídja. G = (G e)-re az indukciós feltevés miatt igaz az állítás. Továbbá n = n, q = q 1, t = t, c = c + 1 és az n q + t = 1 + c egyenlőségekből következik, hogy n q + t = 1 + c. T 1,e G 1 Az e él itt híd.,e T G Az e él,törlésével egy új tartomány jön létre,s kettõ régi megszûnik. 5. ábra. Ha e nem hídja G-nek, akkor tartalmazza őt G-nek K minimális köre, s e két tartomány határán fekszik. Ha töröljük e-t G-ből, akkor a tartományok száma 1-gyel csökken (t = t 1), a komponensek, csúcspontok száma (c = c, n = n) változatlan marad G = (G e)-ben, melyre az indukciós feltevésünk ismét igaz. Azaz n q + t = 1 + c, s az előbbiek miatt írható n (q 1) + (t 1) = 1 + c, s ezzel a bizonyítás kész. Legyen adott a síkon két párhuzamos egyenes e és f. Legyen v 0, v 1, v e egymás után következő 3 pontja, és f-nek három pontja u 0, u 1, u. A v 0, v 1, v pontokat házaknak, s az u 0, u 1, u pontokat kutaknak nevezzük. Azt a G gráfot, melynek a csúcsai az előbbi kutak ill. 6. ábra. házak és bármely kutat, bármely házzal él köt össze, a háromház-háromkút gráfnak mondunk. Gráfok síkbarajzolhatóságát nem befolyásolja, ha valamely élükön egy új másodfokú csúcspontot veszünk fel, vagy ha valamely két élét a gráfnak, amelyek ugyanarra a v másodfokú csúcsra illeszkedtek, egybeolvasszuk, s v-t töröljük. Az előbbi két transzformációt házi használatra, nevezzük topológikus bővítésnek illetve szűkítésnek.

64 5. EULER-FORMULA, SÍKBARAJZOLHATÓ GRÁFOK, SZABÁLYOS TESTEK 5.1. Definíció. A G gráfot a G gráffal topológikusan izomorf nak mondjuk, ha G-ből véges sok topológikus szűkítéssel ill. bővítéssel G -vel izomorf gráf állítható elő. 5.3. Tétel (G. Kuratowski, 1930). A G gráf akkor és csak akkor síkbarajzolható, ha nincs olyan részgráfja, amely topológikusan izomorf az ötszögpontú K 5 teljes gráffal, vagy a háromházháromkút K 3,3 gráffal. A K 5, s a K 3,3 gráfokat a fenti tétel kapcsán Kuratowski 1 -féle gráfoknak is szokták nevezni. A tételt nem bizonyítjuk. Az Euler-formula segítségével azonban könnyen bizonyítható, hogy a Kuratowski-féle gráfok nem síkbarajzolhatók. 5.4. Tétel. A Kuratowski-féle gráfok nem rajzolhatók síkba. Bizonyítás: Az Euler-formula szerint, ha K 5, K 3,3 síkbarajzolható, akkor t 5 = + q n = + 10 5 = 7, t 3,3 = + q n = + 9 6 = 5. Figyelembe véve, hogy K 5 egy-egy tartományát legalább 3 él határolja, és minden él pontosan két tartománynak a határa, ekkor 3t q egyenlőtlenségnek kellene teljesedni, ami itt 3 7 > 10 miatt nem igaz. K 3,3 -ról tudjuk, hogy páros gráf, s ezért nincs olyan köre, mely páratlan sok élt tartalmazna, ezért K 3,3 tartományait (a tartományok határai kört alkotnak) legalább 4 él határolja. Az előbbiek alapján K 3,3 éleinek a száma alulról becsülhető 4 t 3,3 1 = 10- zel, s ez ellentmond annak, hogy K 3,3 -nak csak 9 éle van. Síkba rajzolható G gráfokhoz sok esetben hasznos hozzárendelni egy G* duális gráfot a következő módon. G minden T i tartományában felveszünk egy u i pontot. Legyen e s olyan éle G-nek, mely a T i, T j tartományok határán fekszik, ekkor vezessen e s él u i -ból u j -be. Gyakorlás céljából ajánljuk a Kedves Olvasónak, rajzolja le a szabályos hatszög gráfjának duálisát. A 7. ábrán szaggatott vonallal rajzoltuk meg a G 1 ill. a G gráf duálisának az éleit. A duális gráfok csúcspontjait a tartományokban vettük fel és értelemszerűen U i -vel ill. U j-vel indexeltük. Megemlítjük itt még, hogy ha a k él által határolt tartományok számát ϕ k -val jelöljük, akkor egyrészt ϕ 1 = 0 (mivel sokszöggráfoknál kizártuk a hurokéleket), másrészt teljesedik a következő összefüggés. q = ϕ + 3ϕ 3 + 4ϕ 4 +... + kϕ k +... (D1) Ugyanis minden él pontosan két tartomány határán fekszik, s ezért a jobb oldali összeg pontosan az élek számának a kétszeresét adja. 1 Kazimierz Kuratowski 1896.II..-án született Varsóban, amely akkor még az Orosz Birodalomhoz tartozott, s elhunyt 1980.VI.18.-án Varsóban, Lengyelországban. Apja Varsó egyik legsikeresebb ügyvédje volt. 197-ben Lvovban nevezték ki egyetemi tanárnak. Ott együtt dolgozott Banach-kal, Steinhaus-szal stb. Megoldott több mértékelméleti problémát. 1934-ben már Varsóban professzor, 1936-ban Princetonban közös cikket ír Neumann Jánossal. Lengyelország 1939-es megszállása után is Varsóban maradt s ott tevékenyen részt vett a lengyel ellenállási mozgalomban. 1945 után Lengyelorszában elhalmozták elismerésekkel, és haláláig a lengyel matematikus társadalom vezető személyisége maradt.

5. SZABÁLYOS POLIÉDEREK 65 1 1 U U 1 U 3 U 1 5 U U 4 U 3 3 4 3 G 4 G 1 5 U 4 7. ábra.. Szabályos poliéderek "Az ilyen szemléltetés nagyon hasznos, mert az emberi értelem a mértani alakzatokat fogja fel a legkönnyebben." Descartes: Oeuvres, X. 413. old., Regulae ad directionemingenii, XII. szabály. A háromdimenziós euklideszi térben azokat a konvex poliédereket szokták szabályosnak nevezni, melyeknek az élei, élszögei és lapszögei egyenlőek. A poliéder élei és csúcsai olyan G szabályos síkgráfot alkotnak (az, hogy síkbarajzolhatóak, a sztereografikus projekcióval látható be), mely gráf minden csúcspontjának a foka egyenlő (egyenlő például r-rel) és minden tartományt ugyanannyi mondjuk h él határol. Továbbá G duálisa G* is szabályos. Jelölje a G szabályos poliéder csúcsainak, éleinek, tartományainak, a csúcsok fokszámát és a tartományokat határoló élek számát rendre n, q, t, r, h hasonlóan G* megfelelő adatai legyenek rendre n, q, t, r, h. A G gráf élei és a csúcspontok fokszámai között teljesül a q = rn, továbbá rn = ht. q-t és t-t kifejezve (i)-ből, adódik q = 1 rn és t = r n. Helyettesítsük q-t illetve t-t az (EF) h Euler-formulába. Azt kapjuk, hogy n(1 + r h 1 r) = (ii) vagy h-val végig szorozva n(h + r rh) = 4h mivel n és h pozitív egészek, ezért írható h + r hr > 0 illetve hr h r < 0 (v)-t szorzattá alakítva és rendezve, nyerjük (i) (iii) (iv) (h )(r ) < 4. (vi) A (vi) egyenlőtlenségnek h és r pozitív egész volta miatt csak véges sok megoldása van. Vannak olyan megoldások, melyekhez tartozó gráfok számunkra geometriai okok miatt érdektelenek. Például ha r =, akkor a gráf minden szögpontjában két él találkozik, azaz a G gráf kör, ha (v)

66 5. EULER-FORMULA, SÍKBARAJZOLHATÓ GRÁFOK, SZABÁLYOS TESTEK h =, akkor a csúcsok száma és a G ekkor a két szögpontból s az azokat összekötő tetszőleges számú élből áll. Az "érdekes" eseteket a következő táblázatba foglaltuk össze. r h n q t típus 3 3 4 6 4 tetraéder 3 4 8 1 6 kocka 3 5 0 30 1 dodekaéder 4 3 6 1 8 oktaéder 5 3 1 30 0 ikozaéder A szabályos testek elég régóta ismertek. Platón Timaeus c. művében felsorolja az összes szabályos poliédert. A következő ábrák a szabályos testeket és síkba rajzolt gráfjaikat mutatják. 8. ábra.