Twierdzenie Mengera

by Jerry Sky

2020-04-22



Graf K5K_5 na torusie

graf  na torusie

Fakt\text {Fakt} #1

Niech P\mathcal{P} będzie (A,B)(A,B)–konektorem oraz XX będzie (A,B)(A,B)–separatorem.
Wówczas ∣P∣≤∣X∣|\mathcal{P}| \le |X|.

Oznaczenia

Dla grafu prostego GG definiujemy:

  1. λG(A,B)\lambda_G(A,B) — największa moc (A,B)(A,B)–konektora
  2. κG(A,B)\kappa_G(A,B) — najmniejsza moc (A,B)(A,B)–separatora

Wniosek #1

Jeśli G=(V,E)G = (V,E) jest grafem prostym oraz A,B⊆VA,B \subseteq V to λG(A,B)≤κG(A,B)\lambda_G(A,B) \le \kappa_G(A,B).

Twierdzenie\text {Twierdzenie} #1

Jeśli G=(V,E)G = (V,E) jest grafem prostym oraz A,B⊆VA,B\subseteq V to λG(A,B)=κG(A,B)\lambda_G(A,B) = \kappa_G(A,B).

D-d Twierdzenia\text {Twierdzenia} #1

Część I

Zakładamy, że A∩B=∅A \cap B = \emptyset.

Przeprowadzimy go indukcją względem ∣E∣|E|. Dla ∣E∣=0|E| = 0 twierdzenie jest prawdziwe (zarówno separatory jak i konektory są puste).

Rozważmy więc graf prosty (G,E)(G,E) i załóżmy, że dla wszystkich grafów postaci (V,E′)(V,E') takich, że ∣E′∣<∣E∣|E'| < |E| twierdzenie jest prawdziwe.

  1. Niech k=κG(A,B)k = \kappa_G(A,B). Naszym celem jest pokazanie, że istnieje (A,B)(A,B)–konektor mocy kk. Niech e={x,y}∈Ee = \{x,y\} \in E i niech G′=(V,E∖{e})G' = (V,E\setminus\{e\}).

  2. Jeśli k=κG′(A,B)k = \kappa_{G'}(A,B) to w grafie G′G' mamy (A,B)(A,B)–konektor, który oczywiście jest (A,B)(A,B)–konektorem w grafie GG. Możemy więc założyć, że κG′(A,B)<k\kappa_{G'}(A,B) < k.

  3. Niech CC będzie (A,B)(A,B)–separatorem w grafie G′G'. Mamy ∣C∣<k|C| < k. Niech Cx=C∪{x}C_x = C\cup \{x\}.
    d-d

  4. Claim: CxC_x jest (A,B)(A,B)–separatorem w grafie GG
    d-d claimu: rozważmy dowolną (A,B)(A,B)–ścieżkę P\mathcal{P} w grafie GG. Jeśli P\mathcal{P} jest (A,B)(A,B)–ścieżką w grafie G′G' to P∩C≠∅\mathcal{P} \cap C \neq \emptyset. Jeśli zaś ee występuje w P\mathcal{P}, to x∈Px \in \mathcal{P}, więc P∩Cx≠∅\mathcal{P} \cap C_x \neq \emptyset. Zatem w obu przypadkach P∩Cx≠∅\mathcal{P} \cap C_x \neq \emptyset.

  5. Z poprzedniego claimu wynika, że ∣Cx∣≥k|C_x| \ge k, zatem ∣C∣=k−1|C| = k-1 i x∉Cx \notin C.

  6. Podobnie pokazujemy, że zbiór Cy=C∪{y}C_y = C\cup \{y\} jest (A,B)(A,B)–separatorem w grafie GG.

  7. Wiemy, że κG′(A,B)<κG(A,B)\kappa_{G'}(A,B) < \kappa_G(A,B). W grafie GG istnieć więc musi (A,B)(A,B)–ścieżka zawierająca krawędź ee.
    Na ścieżce tej występują oba wierzchołki x,yx,y. Możemy założyć, że pierwszym wystąpieniem któregoś z tych dwóch elementów jest xx.
    Możemy więc założyć, że w grafie G′G' jest (A,{x})(A,\{x\})–ścieżka oraz, że w grafie G′G' jest ({y},B)(\{y\}, B)–ścieżka. W grafie G′G' nie ma zaś ścieżki od xx do yy, gdyż inaczej CC nie byłby zbiorem (A,B)(A,B)–separującym w G′G'.

  8. Claim: Każdy (A,Cx)(A,C_x)–separatorem w grafie G′G' jest (A,B)(A,B)–separatorem w grafie GG.

    D-d claimu:

    Niech ZZ będzie (A,Cx)(A,C_x)–separatorem w grafie G′G'. Rozważmy dowolną (A,B)(A,B)–ścieżkę P\mathcal{P} w grafie GG. Niech P′\mathcal{P}' będzie pod-ścieżką ścieżki P\mathcal{P} zaczynającą się od elementu zbioru AA i kończącą się na pierwszym elemencie zbioru CxC_x. Niech tt będzie ostatnim elementem tej pod-ścieżki. Rozważmy dwa przypadki:

  9. Wniosek: κG′(A,Cx)=k\kappa_{G'}(A,C_x) = k
    d-d: Zbiór CxC_x jest (A,Cx)(A,C_x)–separatorem w G′G'. Minimalna moc (A,Cx)(A,C_x)–separatora jest więc mniejsza lub równa ∣Cx∣=k|C_x| = k. Ale nie może być ona ostro mniejsza od kk, gdyż każdy (A,Cx)(A,C_x)–separator w G′G' jest (A,B)(A,B)–separatorem w GG.

  10. Istnieje więc (A,Cx)(A,C_x)–konektor mocy kk. Podobnie: istnieje (Cy,B)(C_y,B)–konektor mocy kk.
    Łączymy je i otrzymujemy (A,B)(A,B)–konektor mocy kk.

Część II: A∩B≠∅A\cap B \neq \emptyset

Niech C=A∩BC = A \cap B, A′=A∖CA' = A\setminus C, B′=B∖CB' = B\setminus C. Stosujemy udowodnione twierdzenie dla rozłącznych zbiorów AA i BB do grafu G′=G∖CG' = G \setminus C. W G′G' znajdujemy (A′,B′)(A', B')–konektor P′\mathcal{P}' i (A′,B′)(A', B')–separator SS tej samej mocy.
Wówczas P′∪C\mathcal{P}' \cup C jest (A,B)(A,B)–konektorem w grafie GG oraz Z∪CZ \cup C jest (A,B)(A,B)–separatorem w GG i oba te zbiory mają tą samą moc.


Powyższy dowód jest rozwinięciem dowodu Goringa. Zrozumienie wszystkich detali tego dowodu może być bardzo time-consuming.

Definicja\text {Definicja} Ścieżki wewnętrznie rozłączne

Dwie ścieżki x0=a,x1,x2,…,xn−1,xn=bx_0 = a,x_1,x_2,\dots,x_{n-1},x_n = b oraz y0=a,y1,y2,…,ym−1,ym=by_0 = a,y_1,y_2,\dots,y_{m-1},y_m = b nazywamy wewnętrznie rozłączne jeśli {x1,…,xn−1}∩{y1,…,yn−1}=∅\{x_1,\dots,x_{n-1}\} \cap \{y_1,\dots,y_{n-1}\} = \emptyset.

Twierdzenie\text {Twierdzenie} Mengera (wersja wierzchołkowa)

Niech graf G=(V,E)G = (V,E) będzie grafem prostym, x,y∈Vx,y \in V i {x,y}∉E\{x,y\} \notin E.
Wówczas następujące dwie liczby są równe:

  1. Maksymalna liczba xyxy–ścieżek parami wewnętrznie rozłącznych
  2. Minimalna moc zbioru X⊆V∖{x,y}X \subseteq V \setminus \{x,y\} takiego, że dla każdej xyxy–ścieżki PP mamy X∩P≠∅X\cap P \neq \emptyset

Zadanie: dlaczego w powyższym twierdzeniu zakładamy, że {x,y}∉E\{x,y\} \notin E?
rozwiązanie: jeśli {x,y}∈E\{x,y\} \in E to stworzenie takiego zbioru XX z punktu 2. jest nie możliwe, bo nie możemy używać wierzchołków x,yx,y a na ścieżce x→yx\rightarrow y nie innych wierzchołków.

D-d Twierdzenia\text {Twierdzenia} Mengera (wersji wierzchołkowej)

Niech A=N(x)A = \mathcal{N}(x) i B=N(y)B = \mathcal{N}(y). Na mocy poprzedniego twierdzenia mamy (A,B)(A,B)–konektor i (A,B)(A,B)–separator tej samej mocy. Każdą ścieżkę ze znalezionego (A,B)(A,B)–konektora możemy poprawić (jeśli trzeba) do ścieżki bez elementów xx i yy. Znaleziony (A,B)(A,B)–separator nie może więc zawierać ani xx ani yy. Aby zakończyć dowód należy do wszystkich ścieżek ze znalezionego (A,B)(A,B)–konektora dokleić na początku xx i na końcu yy.

Twierdzenie\text {Twierdzenie} Mengera (wersja krawędziowa)

Niech graf G=(V,E)G = (V,E) będzie grafem prostym, x,y∈Vx,y \in V. Wówczas następujące dwie liczby są równe:

  1. Maksymalna liczba xyxy–ścieżek parami krawędziowo rozłącznych
  2. Minimalna moc zbioru krawędzi Y⊆EY \subseteq E takiego, że każda xyxy–ścieżka zawiera jakąś krawędź z YY

D-d Twierdzenia\text {Twierdzenia} Mengera (wersji krawędziowej)

Stosujemy udowodnione twierdzenie do grafu L(G)L(G) oraz zbiorów A={e∈E:x∈e}A = \{e \in E: x\in e\} oraz B={e∈E:y∈e}B = \{e \in E: y \in e\}.