GT toán rời rạc - Chương 7

CHƯƠNG VII
ĐỒ THỊ PHẲNG VÀ TÔ MÀU ĐỒ THỊ

Từ xa xưa đã lưu truyền một bài toán cổ “Ba nhà, ba giếng”: Có ba nhà ở gần ba cái giếng, nhưng không có đường nối thẳng các nhà với nhau cũng như không có đường nối thẳng các giếng với nhau.
Có lần bất hoà với nhau, họ tìm cách làm
các đường khác đến giếng sao cho các đường này
đôi một không giao nhau. Họ có thực hiện được ý
định đó không?
Bài toán này có thể được mô hình bằng đồ thị phân đôi đầy đủ K3,3. Câu hỏi ban đầu có thể diễn đạt như sau: Có thể vẽ K3,3 trên một mặt phẳng sao cho không có hai cạnh nào cắt nhau? Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu bài toán: có thể vẽ một đồ thị trên một mặt phẳng không có các cạnh nào cắt nhau không. Đặc biệt chúng ta sẽ trả lời bài toán ba nhà ba giếng. Thường có nhiều cách biểu diễn đồ thị. Khi nào có thể tìm được ít nhất một cách biểu diễn đồ thị không có cạnh cắt nhau?
7.1. ĐỒ THỊ PHẲNG.
7.1.1. Định nghĩa: Một đồ thị được gọi là phẳng nếu nó có thể vẽ được trên một mặt phẳng mà không có các cạnh nào cắt nhau (ở một điểm không phải là điểm mút của các cạnh). Hình vẽ như thế gọi là một biểu diễn phẳng của đồ thị.
Một đồ thị có thể là phẳng ngay cả khi nó thường được vẽ với những cạnh cắt nhau, vì có thể vẽ nó bằng cách khác không có các cạnh cắt nhau.
Thí dụ 1: 1) Một cây, một chu trình đơn là một đồ thị phẳng.
2) K4 là đồ thị phẳng bởi vì có thể vẽ lại như hình bên không có đường cắt nhau





Đồ thị K4 K4 vẽ không có đường cắt nhau
3) Xét đồ thị G như trong hình a dưới đây. Có thể biểu diễn G một cách khác như trong hình b, trong đó bất kỳ hai cạnh nào cũng không cắt nhau.




4) Đồ thị đầy đủ K5 là một thí dụ về đồ thị không phẳng (xem Định lý 7.2.2).
7.1.2. Định nghĩa: Cho G là một đồ thị phẳng. Mỗi phần mặt phẳng giới hạn bởi một chu trình đơn không chứa bên trong nó một chu trình đơn khác, gọi là một miền (hữu hạn) của đồ thị G. Chu trình giới hạn miền là biên của miền. Mỗi đồ thị phẳng liên thông có một miền vô hạn duy nhất (là phần mặt phẳng bên ngoài tất cả các miền hữu hạn). Số cạnh ít nhất tạo thành biên gọi là đai của G; trường hợp nếu G không có chu trình thì đai chính là số cạnh của G.
Thí dụ 2: 1) Một cây chỉ có một miền, đó là miền vô hạn.
2) Đồ thị phẳng ở hình bên có 5 miền, M5
là miền vô hạn, miền M1 có biên abgfa,
miền M2 có biên là bcdhgb, … Chu
trình đơn abcdhgfa không giới hạn một
miền vì chứa bên trong nó chu trình đơn
khác là abgfa.
7.1.3. Định lý (Euler, 1752): Nếu một đồ thị phẳng liên thông có n đỉnh, p cạnh và d miền thì ta có hệ thức:
n ( p + d = 2.
Chứng minh: Cho G là đồ thị phẳng liên thông có n đỉnh, p cạnh và d miền.
Ta bỏ một số cạnh của G để được một cây khung của G. Mỗi lần ta bỏ một cạnh (p giảm 1) thì số miền của G cũng giảm 1 (d giảm 1), còn số đỉnh của G không thay đổi (n không đổi). Như vậy, giá trị của biểu thức n ( p + d không thay đổi trong suốt quá trình ta bỏ bớt cạnh của G để được một cây. Cây này có n đỉnh, do đó có n ( 1 cạnh và cây chỉ có một miền, vì vậy:
n ( p + d = n ( (n (1) + 1 = 2.
Hệ thức n ( p + d = 2 thường gọi là “hệ thức Euler cho hình đa diện”, vì được Euler chứng minh đầu tiên cho hình đa diện có n đỉnh, p cạnh và d mặt. Mỗi hình đa diện có thể coi là một đồ thị phẳng. Chẳng hạn hình tứ diện ABCD và hình hộp ABCDA’B’C’D’ có thể biểu diễn bằng các đồ thị dưới đây.







7.1.4. Hệ quả: Trong một đồ thị phẳng liên thông tuỳ ý, luôn tồn tại ít nhất một đỉnh có bậc không vượt quá 5.
Chứng minh: Trong đồ thị phẳng mỗi miền được bao bằng ít nhất 3 cạnh. Mặt khác, mỗi