Kolorowanie i Twierdzenie o Czterech Barwach

by Jerry Sky



Twierdzenie Brooks 1941

Załóżmy, że k=Δ(G)≥3k = \Delta(G) \ge 3 oraz, że GG nie zawiera pod-grafu izomorficznego z Kk+1K_{k+1}. Wtedy X(G)≤Δ(G)\mathcal{X}(G) \le \Delta(G).

D-d by Mariusz Zając

Twierdzenie #2

Jeśli graf GG jest grafem planarnym, to X(G)≤5\mathcal{X}(G) \le 5.

Zajmujemy się dowodem tego twierdzenia, bo jest on przykładem nieco trudniejszego, ale za to dosyć typowego rozumowania z teorii grafów.

Szkic Dowodu Twierdzenia #2

Robimy indukcję po liczbie wierzchołków.

Jeśli ∣V(G)∣≤5|V(G)| \le 5, to twierdzenie jest oczywiście prawdziwe. Załóżmy teraz, że twierdzenie jest prawdziwe dla wszystkich grafów planarnych o mniej niż kk wierzchołkach.

  1. Rozważamy graf GG o k>5k>5 wierzchołkach. Wybierany w nim wierzchołek vv taki, że deg⁡(v)≤5\deg(v) \le 5.
    Oznaczmy G′=G[V∖{v}]G' = G[V\setminus\{v\}]. Z założenia indukcyjnego mamy właściwe kolorowanie cc grafu G′G' za pomocą kolorów ze zbioru {1,2,3,4,5}\{1,2,3,4,5\}.

  2. Jeśli deg⁡(v)<5\deg(v) < 5 to bez trudu rozszerzamy cc do właściwego kolorowanie grafu GG.

  3. Możemy więc założyć, że deg⁡(v)=5\deg(v) = 5.

  4. Niech N(v)={v1,v2,v3,v4,v5}\mathcal{N}(v) = \{ v_1, v_2, v_3, v_4, v_5 \}. Jeśli {c(v1),c(v2),c(v3),c(v4),c(v5)}≠{1,2,3,4,5}\{ c(v_1), c(v_2), c(v_3), c(v_4), c(v_5) \} \neq \{1,2,3,4,5\} to znowu bez trudu rozszerzamy cc do właściwego kolorowania grafu GG.

  5. Możemy więc założyć, że {c(v1),c(v2),c(v3),c(v4),c(v5)}={1,2,3,4,5}\{ c(v_1), c(v_2), c(v_3), c(v_4), c(v_5) \} = \{1,2,3,4,5\}. Permutując kolory możemy założyć, że c(vi)=ic(v_i) = i dla i=1,…,5i = 1,\dots,5.

  6. Dla 1≤i≤51 \le i \le 5 definiujemy Ci,j={x∈V∖{v}:c(x)∈{i,j}}. C_{i,j} = \{ x\in V \setminus \{v\}: c(x) \in \{i,j\} \}. Przyglądamy się pod-grafowi G[Ci,j]G[C_{i,j}]. Mamy {vi,vj}⊆Ci,j\{v_i,v_j\} \subseteq C_{i,j}.
    Jeśli viv_i oraz vjv_j leżą w różnych składowych spójnych grafu G[Ci,j]G[C_{i,j}], to możemy w obrębie tego grafy tak pozmieniać kolorowanie (używając tylko kolorów ii oraz jj) aby wierzchołki viv_i oraz vjv_j otrzymały ten sam kolor! A wtedy do kolorowania {v1,…,v5}\{v_1,\dots,v_5\} używamy tylko 4 kolory, więc możemy rozszerzyć kolorowanie grafu G[V∖{v}]G[V\setminus\{v\}] na cały graf GG.

  7. Możemy więc założyć, że wierzchołki viv_i oraz vjv_j leżą w tych samych składowych spójnych grafu G[Ci,j]G[C_{i,j}]. Dla każdej pary 1≤i≤j≤51 \le i \le j \le 5 ustalmy drogę Pi,jP_{i,j} w Ci,jC_{i,j}. Zauważamy, że do kolorowania Pi,jP_{i,j} używamy tylko kolorów ii oraz jj. Każda ścieżka Pi,jP_{i,j} odpowiada pewnej krzywej jordanowskiej Ji,jJ_{i,j} na płaszczyźnie. Ale graf K5K_5 nie jest planarny. Znajdujemy więc dwie pary {i1,j1}\{i_1,j_1\} oraz {i2,j2}\{i_2, j_2\} takie, że {i1,j1}∩{i2,j2}=∅\{i_1,j_1\} \cap \{i_2,j_2\} = \emptyset oraz, że Ji1,j1≠∅J_{i_1,j_1} \neq \emptyset. Krzywe Ji1,j1J_{i_1,j_1} oraz Ji2,j2J_{i_2,j_2} muszą się więc przeciąć w pewnym wierzchołku.
    Ale ścieżki Pi1,j1P_{i_1,j_1} i Pi2,j2P_{i_2,j_2} są pokolorowane różnymi kolorami   ⟹  \implies sprzeczność .

Twierdzenie Appel-Haken 1976

Jeśli graf GG jest grafem planarnym, to X(G)≤4\mathcal{X}(G) \le 4.

Twierdzenie to jest potwierdzeniem hipotezy Francis’a Guthrie z roku 1852.
Do udowodnienia twierdzenia Appel i Haken wykorzystali komputer, którym posłużyli się do rozważenia około 1600 specyficznych konfiguracji (podobnych do pod-grafu K1,5K_{1,5}, który wykorzystywaliśmy w dowodzie poprzedniego twierdzenia). Całkiem dobrą dyskusję na temat tej historii można znaleźć tutaj.

Aby zastosować twierdzenie Appel-Haken do klasycznego (popularnego) sformułowania Twierdzenia o Czterech Barwach należy jest zastosować do grafu dualnego (wiki) do danego grafu planarnego:

dual graph