彼得森图 编辑

数学图论

彼得森图彼得森图

Petersen图一般译为彼得森图,是一个由10个顶点和15条边构成的连通简单图,每个点度数均为3。Petersen图的同构多种多样,其自同构有120种。它不是平面图,因而没有一种使得边与边没有交点。由于其特殊而有趣的性质,它常常被用于证明中的例子或反例。

基本信息

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中文名:彼得森图

外文名:Petersen graph

提出者:彼得森(Julius Petersen,1839-1910)

提出时间:1898年

适用领域:图论/组合数学

应用学科:数学

特性:常作为反例图出现

提出者

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彼得森(1839----1910),丹麦哥本哈根大学数学教授。家境贫寒,因此而辍过学。但19岁就出版了关于对数的专著。他做过中学教师,32岁获哥本哈根大学数学博士学位,然后一直在该大学作数学教授。

彼得森是一位出色的名教师。他讲课遇到推理困难时,总是说:“这是显而易见的”,并让学生自己查阅他的著作。同时,他是一位有经验的作家,论述问题很形象,讲究形式的优雅。

1891年,彼得森发表了一篇奠定他图论历史地位的长达28页的论文。这篇文章被公认是第一篇包含图论基本结论的文章。同时也是第一次在文章中使用“图”术语。

1898年,彼得森又发表了一篇只有3页的论文,在这篇文章中,为举反例构造了著名的彼得森图。

虽然彼得森被认为是该图的正式提出者,但实际上它最早出现于12年前,即A.B.Kempe(1886)的一篇论文中。Kempe观察到,它的顶点可以代表Desargues构型的十条线,而它的边则代表不在构型的十个点中的一个点相遇的线对。

基本参数

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  • 顶点数 |V| = 10

  • 边数 |E| = 15

  • 分支数 ω = 1

  • 各顶点的度为 d(v) = 3,因而它是3-正则图(立方图cubic graph)

  • 补图为6-正则图

  • 围长(girth) C = 5(一个图的围长是指它所包含的最短环的周长,Petersen图中无长度为3或4的环)

  • 直径 d = 2(一个图两点间的距离指其间最短路径的长,而它的直径则指全图中最大的距离)

  • 半径 r = 2(与距其最远点之间距离最短的点为图的中心,该距离即为图的半径)

  • 强正则图(strongly regular graph):强正则图定义为,对于k-正则图G = (V, E),存在整数λ, μ,使得G中任意两个相邻顶点有λ个共同邻居,任意两个不相邻顶点有μ个共同邻居。对于Petersen graph,可验证(v, k, λ, μ) = (10, 3, 0, 1)。

    图1:Pertersen Graph图1:Pertersen Graph

  • 性质

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    对称性

    Petersen图是一个轴对称图,且其各顶点具有轮换对称性。

    Petersen图与Euler图

    由于Petersen图各点度数为3,显然不满足欧拉图的充要条件——连通图每点度数均为偶数。因此Petersen图不是欧拉图。

    Petersen图与Hamilton图

    Petersen图不是哈密尔顿图(Hamilton Graph),即不含哈密尔顿回路(Hamilton Cycle),但含240条不同的哈密尔顿路径(Hamilton Path,即经过所有点一次且仅一次的路径)。

    Petersen图G满足哈密尔顿图的通常性质ω(G-S)≤|S|,即图G去除一些顶点(这些定点的集合为S)后形成的新图分支数小于等于S中顶点个数。但它并不是哈密尔顿图,从而常常作为反例出现于图论之中。

  • 证明:Petersen图不是Hamilton图

    (反证)假设Petersen图G = (V, E)是Hamilton图,其Hamilton回路为C = v1v2……v10

    |E(C)| = 10,则|E(G) - E(C)| = 5,即需要为C添加5条弦才能构成原Petersen图G。接下来讨论如何添加这5条弦。

    claim 1:一条弦连接的两个点在C上距离只能为4或5

    (反证)由于Petersen图最小环长度为5,若C上距离1,2,3的点之间有边,会构成更小的环,矛盾;

    又,C上两点最大距离为5。故一条弦连接的两个点在C上距离只能为4或5。

    claim 2:至少有一条弦连接C上距离为4的两个点

    图2:5条弦均连接对侧点的情况图2:5条弦均连接对侧点的情况

    (反证)若5条弦均连接在C上距离为5的点,如图2,则图中有长度为4的环 v1-v2-v7-v6-v1,矛盾。

    claim 3:设弦e连接C上距离为4的两个点,不失一般性设e = v1v5;则该弦两端点在上的邻居都不是弦的端点

    与上同理,如果v2或v4或v10或v6连接某一条弦,则可构造出长度小于等于4的环;

    综上,e = v1v5,剩下可连接弦的点有v3, v7, v8, v9,又由于G中每点度数为3,即C上每点最多连接一条弦,故最多只能再添加两条弦;与|E(G) - E(C)| = 5矛盾。原命题得证。

  • 事实上,Petersen图是最小的亚哈密尔顿图(hypohamiltonian graph),即去掉其任意一个顶点都构成哈密尔顿图。

    着色

  • 最小点着色数(chromatic number)= 3(Petersen图是三部图),如图3。

    图3:Petersen图的一种3 - 点着色图3:Petersen图的一种3 - 点着色

  • 最小边着色数(edge chromatic number)= 4,如图4。

    图4:Petersen图的一种4 -边着色图4:Petersen图的一种4 -边着色

    单位距离图

    图5:Petersen图是单位距离图 图5:Petersen图是单位距离图

    单位距离图(unit-distance graph)的概念是,由由欧几里得平面上的点的集合形成的图,只要它们之间的距离正好是1,就将两点连接起来。Petersen图是单位距离图,如图5。

    交叉数

    图6:Petersen图最小交叉数为2图6:Petersen图最小交叉数为2

    Petersen图不是平面图,其交叉数(crossing number) 为2,如图6。 事实上Petersen图是具有最小交叉数的立方图。

    最小割点集

    顶点连通数(vertex connectivity number)为图的最小割点集大小 。Petersen图的顶点连通数 κ(G) = 3,证明如下:

    Petersen去掉任意一点,剩下的部分为Hamilton图(亚哈密尔顿图,见上);再去掉一个点至多破坏其Hamilton环获得一条Hamilton路径;再去掉第三个点,至多破坏Hamilton路径使图不连通;因此最小割点集大小至少为3。而去掉三个点确实可以使Hamilton图不连通。故其最小割点集大小为3。

    最大独立集

    独立数(independence number)为图的最大独立集大小 。Petersen图的最大独立集大小 α(G) = 4——我们可以分别在内层和外层找两个不相邻的顶点,得到一个大小为4的独立集;然而,如果我们想找到一个大小为5的顶点集,在外层或内层必须至少有3个顶点,而它们必然相连,故不存在大小为5的独立集。

  • 推广

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    Desargues图是顶点数为20,边数为30的3 - 正则图;为Petersen图的推广,如图7。

    图7:Desargues图图7:Desargues图

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