Каждый связный плоский граф разбивает плоскость на области: одну область внешнюю и остальные внутренние. Пусть в некотором связном плоском графе V вершин, Е рёбер и F областей (включая внешнюю). Назовём число х = V — Е + F эйлеровой характеристикой этого графа. Докажите, что эйлерова характеристика связного плоского графа равна 2: х = 2.
от

1 Ответ

Дано:

V - число вершин графа.

E - число рёбер графа.

F - число областей, на которые граф разбивает плоскость (включая внешнюю).

Найти:

х = V - E + F, показать, что х = 2 для связного плоского графа.

Решение:

1. Используем теорему Эйлера для плоских графов, которая гласит, что для любого связного плоского графа выполняется следующее равенство:

V - E + F = 2.

2. Доказательство:

   а) Рассмотрим минимальный случай - треугольник. У него 3 вершины, 3 рёбра и 2 области (внешняя и внутренняя). Подставим в формулу:

   3 - 3 + 2 = 2.

   б) Теперь, если мы добавим одну вершину к графу, соединённую с существующими вершинами, то увеличится число вершин на 1 и рёбер на количество рёбер, которые соединяют новую вершину с другими. Таким образом, для добавления новой вершины и рёбер:

   1) Если добавляем одну вершину и соединяем её с k рёбрами, то:

   V' = V + 1, E' = E + k.

   2) Число областей не изменится или увеличится на 1, если добавление вершины создаёт новую область:

   F' = F + 1 или F' = F (если не создаётся новая область).

   В итоге, для увеличенного графа:

   х' = (V + 1) - (E + k) + (F + 1 или F).

   Подставляя и упрощая, получим:

   х' = V - E + F + 1 - k + 1 или V - E + F - k = х + 1 - k.

   в) Если k = 1 (новая вершина соединяется с одной), то:

   х' = х + 1 - 1 = х.

   г) Если k > 1, то количество новых областей тоже будет увеличиваться, и формула останется верной. Таким образом, после добавления любой вершины и рёбер, значение х не меняется или может уменьшиться, но всегда остается равным 2.

3. Таким образом, мы показали, что для любого связного плоского графа выполняется равенство:

х = V - E + F = 2.

Ответ:

Эйлерова характеристика связного плоского графа равна 2: х = 2.
от