平面图

  • 平面图
    • 定义
      • 可平面图 / 平面图:可以把边无交地画在平面上的
      • 平面嵌入:画出的无边相交的平面图。
      • 非平面图:无平面嵌入的无向图。
    • 性质
      • K1,K2,K3,K4,K5e,K1,n,K2,nK_1,K_2,K_3,K_4,K_5-e,K_{1,n},K_{2,n} 是平面图,K5,K3,3K_5,K_{3,3} 是非平面图。
      • 平面图的子图是平面图,非平面图的母图是非平面图。
      • 平面图加入平行边或环后还是平面图。
      • 面:平面图将平面划分出的区域。
      • 无限面 / 外部面:面积无限大的面,记作 R0R_0
      • 有限面 / 内部面:面积有限大的面,记作 R1,R2,R_1,R_2,\dots
      • 边界:包围面的回路。
        • 边界可以是各种回路,也可以是多个非连通的回路的并。
      • 次数:面的边界的长度,记作 deg(Ri)\deg(R_i)
      • i=0r1deg(Ri)=2m\displaystyle\sum_{i=0}^{r-1} \deg (R_i) = 2m
      • 简单图没有次数为 1122 的面(分别对应环和平行边)。
    • 极大平面图
      • 极大平面图:已知简单平面图 GG,若在任意不相邻节点间添加一条边后变为非平面图。
      • 规定已无不相邻节点的简单平面图也是极大平面图。
      • 极大平面图是连通的,n (n3)n\ (n\ge 3) 阶极大平面图没有割点和桥。
      • 已知 GG 为简单连通图,GG 为极大平面图     \iff GG 的每个面的次数均为 33
    • 极小非平面图
      • 极小非平面图:已知非平面图 GG,若任意删除一条边后变为平面图。
      • K5,K3,3K_5,K_{3,3} 是极小非平面图。
      • 极小非平面图是简单图。
  • 欧拉公式
    • 内容
      • 已知连通平面图 GG 的结点数、边数、面数分别为 n,m,rn,m,r,则 nm+r=2n-m+r=2
      • 已知平面图 GG 的结点数、边数、面数、连通分支数分别为 n,m,r,k=p(G)n,m,r,k=p(G),则 nm+r=k+1n-m+r=k+1
    • 相关定理
      • 连通平面图 GGdeg(G)l3\deg(G)\ge l\ge 3,则 mll2(n2)m\le \dfrac{l}{l-2}(n-2)
      • 平面图 GGk=p(G),deg(G)l3k=p(G),\deg(G)\ge l\ge 3,则 mll2(nk1)m\le \dfrac{l}{l-2}(n-k-1)
      • 已知 GGn (n3)n\ (n\ge 3)mm 条边的极大平面图,则 m=3n6m=3n-6
      • 已知 GGn (n3)n\ (n\ge 3)mm 条边的简单平面图,则 m3n6m\le 3n-6
      • 已知 GG 为简单平面图,则 δ(G)5\delta(G)\le 5
  • 平面图的判定
    • Kuratowski 定理
      • 插入 22 度结点:已知 e=(u,v)e=(u,v),删除 ee 并增加 w,(w,u),(w,v)w,(w,u),(w,v)
      • 消去 22 度结点:插入 22 度结点的逆过程。
      • 同胚:G1G_1G2G_2 同构或经过反复插入或消去 22 度结点后同构。
      • 收缩边:已知 e=(u,v)e=(u,v),删除 ee 并增加 ww,将与 u,vu,v 相邻的点连接到 ww
      • GG 是平面图     \iff GG 中不含与 K5K_5K3,3K_{3,3} 同胚的子图。
      • GG 是平面图     \iff GG 中不含可以收缩为 K5K_5K3,3K_{3,3} 的子图。
    • 其他方法
  • 平面图的对偶图
    • 定义
      • 已知 GG 为平面嵌入,按照以下方式构造对偶图 GG^*
        • GG 中的面 RiR_i 对应 GG^* 中结点 viv^*_i
        • GG 中的边 eke_k 是两个面 Ri,RjR_i,R_j 的边界,则在 GG^* 中连边 ek=(Ri,Rj)e^*_k=(R_i,R_j)
    • 性质
      • GG^* 为平面嵌入。
      • GG^* 是连通图。
      • 已知 eeee^* 对应
        • 图像上,ee^* 只与 ee 相交,不与其他边相交。
        • ee 是环,则 ee^* 是桥,若 ee 是桥,则 ee^* 是环。
      • 在多数情况下,GG^* 为多重图。
      • 同构的平面图的对偶图不一定是同构的。
      • GGkk 个连通分支时,n,m,rn,m,rn,m,rn^*,m^*,r^* 的关系:
        • n=r,m=m,r=nk+1n^*=r,m^*=m,r^*=n-k+1,当 k=1k=1 是有 r=nr^*=n
        • GG^*viv^*_iGGRiR_i 对应,则 dG(vi)=deg(Ri)d_{G^*}(v^*_i)=\deg(R_i)
    • 自对偶图
      • GGG\cong G^*,则 GG 为自对偶图。
      • nn 阶轮图 WnW_n:在 n1n-1 边形内放置 11 个结点,此结点与多边形顶点都相邻。
      • 轮图都是自对偶图。