惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 定理 ていり 概 がい 述 じゅつ 图
图论 中 なか ,惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 定理 ていり (英語 えいご :Whitney's theorem ),又 また 称 たたえ 为惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 连通性 せい 定理 ていり (Whitney's theorem on connectivity )[ 1] ,是 ぜ 美國 びくに 數學 すうがく 家 か 哈斯勒·惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 于1932年 ねん [ 2] 提出 ていしゅつ 的 てき 关于2连通图 等 とう 价性质的定理 ていり ,该定理 ていり 提供 ていきょう 了 りょう 关于2连通图的不 ふ 同点 どうてん 对之间的连通性 せい 质刻画 が ,描述了 りょう 2连通图的特殊 とくしゅ 性 せい 质[ 3] 。
对一个图
G
{\displaystyle G}
,若 わか
G
{\displaystyle G}
至 いたり 少 しょう 存在 そんざい 3个点,则
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 2连通的 てき 当 とう 且仅当 とう 对
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 任意 にんい 两个点 てん
u
,
v
{\displaystyle u,v}
,
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 至 いたり 少 しょう 存在 そんざい 连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 2条 じょう 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち ,即 そく 除 じょ 首尾 しゅび 相 しょう 同 どう (皆 みな 為 ため
u
,
v
{\displaystyle u,v}
)外 そと ,沒 ぼつ 有 ゆう 其他公共 こうきょう 頂點 ちょうてん 的 てき 路 ろ 徑 みち 。
因 いん 为任意 にんい 两点之 の 间均存在 そんざい 路 ろ 径 みち ,于是
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 连通的 てき 。
进一 いち 步 ほ ,对于任意 にんい 两点之 の 间有至 いたり 少 しょう 存在 そんざい 两条内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち ,所以 ゆえん 考 こう 虑删除 じょ
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 任意 にんい 一 いち 点 てん ,其均不 ふ 会 かい 造成 ぞうせい
G
{\displaystyle G}
不 ふ 连通。于是
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 2连通的 てき 。
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 2连通的 てき ,希望 きぼう 证明对于任意 にんい 两点
u
,
v
∈
V
(
G
)
{\displaystyle u,v\in V(G)}
,能 のう 找到至 いたり 少 しょう 两条连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 。
下面 かめん 通 どおり 过对
u
,
v
{\displaystyle u,v}
之 これ 间的距离
d
(
u
,
v
)
{\displaystyle d(u,v)}
进行归纳来由 らいゆ 数学 すうがく 归纳法 ほう 证明:
对于
d
(
u
,
v
)
=
1
{\displaystyle d(u,v)=1}
,此时
u
v
{\displaystyle uv}
是 これ
G
{\displaystyle G}
的 てき 一 いち 条 じょう 边。而由于
κ かっぱ
(
G
)
≥
2
{\displaystyle \kappa (G)\geq 2}
,根 ね 据 すえ 惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 不等式 ふとうしき ,
λ らむだ
(
G
)
≥
κ かっぱ
(
G
)
{\displaystyle \lambda (G)\geq \kappa (G)}
,于是
λ らむだ
(
G
)
≥
2
{\displaystyle \lambda (G)\geq 2}
。那 な 么
G
{\displaystyle G}
至 いたり 少 しょう 需要 じゅよう 删两条 じょう 边才会 かい 导致不 ふ 连通,于是
G
{\displaystyle G}
删一条边之后仍然还是连通的。则考虑
G
−
u
v
{\displaystyle G-uv}
,其仍然 しか 是 ぜ 连通图,于是对于
u
,
v
{\displaystyle u,v}
,
G
−
u
v
{\displaystyle G-uv}
仍然存在 そんざい 一 いち 条 じょう 路 ろ 径 みち 连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
。于是
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 至 いたり 少 しょう 存在 そんざい 两条连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 。
假 かり 设对于
d
(
u
,
v
)
=
k
−
1
{\displaystyle d(u,v)=k-1}
,
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 都 と 存在 そんざい 至 いたり 少 しょう 两条连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち ,则考虑
d
(
u
,
v
)
=
k
{\displaystyle d(u,v)=k}
;
由 よし 于
u
,
v
{\displaystyle u,v}
之 これ 间距离为
k
{\displaystyle k}
,则
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 一定 いってい 存在 そんざい 一 いち 条 じょう 连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 まと 路 ろ 径 みち
P
{\displaystyle P}
,且
P
{\displaystyle P}
的 てき 长度(其包含 ほうがん 的 てき 边的数量 すうりょう )为
k
{\displaystyle k}
,如图1所 しょ 示 しめせ 。此时考 こう 虑
P
{\displaystyle P}
中 なか
v
{\displaystyle v}
的 てき 邻居
w
{\displaystyle w}
,
w
{\displaystyle w}
一定 いってい 满足
d
(
u
,
w
)
=
k
−
1
{\displaystyle d(u,w)=k-1}
。这是因 いん 为对于
w
{\displaystyle w}
在 ざい
P
{\displaystyle P}
中 ちゅう 已 やめ 经有
u
{\displaystyle u}
到 いた
w
{\displaystyle w}
长度为
k
−
1
{\displaystyle k-1}
的 まと 路 ろ 径 みち ,而如果 はて 还存在 そんざい 其他路 ろ 径 みち 长度小 しょう 于
k
−
1
{\displaystyle k-1}
,那 な 么也存在 そんざい
u
{\displaystyle u}
到 いた
v
{\displaystyle v}
的 まと 路 ろ 径 みち 长度小 しょう 于
k
{\displaystyle k}
,与 あずか
d
(
u
,
v
)
=
k
{\displaystyle d(u,v)=k}
矛盾 むじゅん 。于是对于
u
,
w
{\displaystyle u,w}
,根 ね 据 すえ 归纳假 かり 设,存在 そんざい 至 いたり 少 しょう 2条 じょう 连接
u
,
w
{\displaystyle u,w}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち
P
,
P
′
{\displaystyle P,P'}
。于是
P
∪
P
′
{\displaystyle P\cup P'}
构成了 りょう 一 いち 个环,如图2所 しょ 示 しめせ 。充分 じゅうぶん 性 せい 的 てき 归纳证明
如果
v
∈
P
∪
P
′
{\displaystyle v\in P\cup P'}
,即 そく
v
{\displaystyle v}
已 やめ 经在这个环上,如图3所 しょ 示 しめせ ,则对于
u
{\displaystyle u}
与 あずか
v
{\displaystyle v}
这两个环上 じょう 的 てき 点 てん ,它们之 の 间也存在 そんざい 环上两条相反 あいはん 的 てき 绕行方向 ほうこう 的 てき 路 ろ 径 みち ,于是
u
{\displaystyle u}
与 あずか
v
{\displaystyle v}
存在 そんざい 两条内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交的路 ろ 径 みち 。
如果
v
∉
P
∪
P
′
{\displaystyle v\notin P\cup P'}
,那 な 么由于
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 2连通的 てき ,则考虑
G
−
w
{\displaystyle G-w}
,其仍然 しか 是 ぜ 连通的 てき 。那 な 么对于
u
,
v
{\displaystyle u,v}
,此时存在 そんざい 另一 いち 条 じょう 连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 まと 路 ろ 径 みち
Q
{\displaystyle Q}
。此时,如果
Q
{\displaystyle Q}
与 あずか
P
{\displaystyle P}
以及
P
′
{\displaystyle P'}
除 じょ 了 りょう
u
{\displaystyle u}
之 これ 外 がい 没 ぼつ 有 ゆう 其他交点 こうてん ,如图4所 しょ 示 しめせ ,则显然 しか
Q
{\displaystyle Q}
与 あずか
P
∪
w
v
{\displaystyle P\cup wv}
就构成 なり 了 りょう 连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 两条内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち ;否 いや 则,令 れい
z
{\displaystyle z}
为
Q
{\displaystyle Q}
与 あずか
P
∪
P
′
{\displaystyle P\cup P'}
相 あい 交的最 さい 后 きさき 一 いち 个交点 てん ,根 ね 据 すえ
P
,
P
′
{\displaystyle P,P'}
的 てき 对称性 せい ,不 ふ 妨 さまたげ 假 かり 设
z
{\displaystyle z}
就在
P
{\displaystyle P}
上 うえ ,如图所 しょ 示 しめせ 。那 な 么考虑
(
u
⇝
z
)
⏟
P
∪
(
z
⇝
v
)
⏟
Q
{\displaystyle \underbrace {(u\rightsquigarrow z)} _{P}\cup \underbrace {(z\rightsquigarrow v)} _{Q}}
和 わ
(
u
⇝
w
)
⏟
P
′
∪
w
v
{\displaystyle \underbrace {(u\rightsquigarrow w)} _{P'}\cup wv}
,这两条 じょう 路 ろ 径 みち 则构成 なり 了 りょう 连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 。
于是无论如何 いか ,当 とう
d
(
u
,
v
)
=
k
{\displaystyle d(u,v)=k}
时,均 ひとし 能 のう 至 いたり 少 しょう 找到连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 两条内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 。
于是根 ね 据 すえ 数学 すうがく 归纳法 ほう ,当 とう
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 2连通图时,对于任意 にんい 两点
u
,
v
∈
V
(
G
)
{\displaystyle u,v\in V(G)}
,能 のう 找到至 いたり 少 しょう 两条连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 。
根 ね 据 すえ 惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 定理 ていり 的 てき 结论,可 か 以得到 いた 关于2连通图的等 とう 价描述 じゅつ 的 てき 推论:
图
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 连通且没有 ゆう 割 わり 点 てん (即 そく 图
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 2连通的 てき );
对于图
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 任意 にんい 两点
u
,
v
{\displaystyle u,v}
,
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 存在 そんざい 至 いたり 少 しょう 两条连接
u
,
v
{\displaystyle u,v}
的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち ;
对于图
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 任意 にんい 两点
u
,
v
{\displaystyle u,v}
,
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 存在 そんざい 一 いち 个环
C
{\displaystyle C}
且
u
,
v
{\displaystyle u,v}
均 ひとし 在 ざい
C
{\displaystyle C}
上 うえ ;
图
G
{\displaystyle G}
的 てき 最小 さいしょう 度 ど 至 いたり 少 しょう 为1,且对于图
G
{\displaystyle G}
中 なか 的 てき 任意 にんい 两条边
e
1
,
e
2
{\displaystyle e_{1},e_{2}}
,
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 存在 そんざい 一 いち 个环
C
{\displaystyle C}
且
e
1
,
e
2
{\displaystyle e_{1},e_{2}}
均 ひとし 在 ざい
C
{\displaystyle C}
上 うえ 。[ 4]
描述1
⇔
{\displaystyle \Leftrightarrow }
描述2:直接 ちょくせつ 运用惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 定理 ていり 即 そく 可 か 。
描述2
⇔
{\displaystyle \Leftrightarrow }
描述3:关系是 ぜ 显然的 てき 。若 わか 这两点 てん 之 の 间存在 そんざい 至 いたり 少 しょう 两条连接它们的 てき 内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち ,则这两条内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 的 てき 并形成 けいせい 了 りょう 环且这两点在 てんざい 环上;若 わか 存在 そんざい 这两点 てん 同 どう 时位于环上 じょう ,则这两点之 の 间在环上的 てき 不同 ふどう 绕行方向 ほうこう 的 てき 路 ろ 径 みち 形成 けいせい 了 りょう 连接它们的 てき 两条内部 ないぶ 不 ふ 相 あい 交路径 みち 。
描述4
⇔
{\displaystyle \Leftrightarrow }
描述3:对任意 にんい 的 てき 两点
u
,
v
∈
V
(
G
)
{\displaystyle u,v\in V(G)}
,由 ゆかり 于
δ でるた
(
G
)
≥
1
{\displaystyle \delta (G)\geq 1}
,则
u
,
v
{\displaystyle u,v}
均 ひとし 存在 そんざい 邻居,
∃
u
x
,
v
y
∈
E
(
G
)
{\displaystyle \exists ux,vy\in E(G)}
。考察 こうさつ
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
,
若 わか
u
x
∩
v
y
=
∅
{\displaystyle ux\cap vy=\varnothing }
即 そく
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
两条边完全 かんぜん 分 ぶん 离,则由于任意 にんい 两条边均位 い 于一个环上 じょう ,于是
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
位 くらい 于同一 いち 个环上 じょう ,于是
u
,
v
{\displaystyle u,v}
也位于该环上。
若 わか
u
x
∩
v
y
=
z
{\displaystyle ux\cap vy=z}
即 そく
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
两条边有一 いち 个公共 こうきょう 点 てん
z
{\displaystyle z}
,此时
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
仍然是 ぜ 两条不同 ふどう 的 てき 边,则同样由于任意 にんい 两条边均位 い 于一个环上 じょう ,于是
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
位 くらい 于同一 いち 个环上 じょう ,于是
u
,
v
{\displaystyle u,v}
也位于该环上。
若 わか
u
x
∩
v
y
=
u
v
{\displaystyle ux\cap vy=uv}
即 そく
u
x
,
v
y
{\displaystyle ux,vy}
实际上 じょう 只 ただ 是 ぜ 一 いち 条 じょう 边
u
v
{\displaystyle uv}
,此时
u
v
{\displaystyle uv}
与 あずか 其他任意 にんい 一条边仍然位于同一个环上,所以 ゆえん
u
,
v
{\displaystyle u,v}
仍然位 い 于环上 じょう 。
描述123
⇔
{\displaystyle \Leftrightarrow }
描述4:首 くび 先 さき 根 ね 据 すえ 描述1,图
G
{\displaystyle G}
是 ぜ 连通的 てき ,所以 ゆえん
δ でるた
(
G
)
≥
1
{\displaystyle \delta (G)\geq 1}
。其次,对于图
G
{\displaystyle G}
中 なか 的 てき 任意 にんい 两条边
u
v
,
x
y
{\displaystyle uv,xy}
,下面 かめん 证明它们位 い 于同一 いち 个环上 じょう 。
向 むかい
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 加入 かにゅう 两个辅助点 てん
w
,
z
{\displaystyle w,z}
令 れい
G
′
=
G
∪
{
w
,
z
}
∪
{
u
w
,
v
w
,
x
z
,
y
z
}
{\displaystyle G'=G\cup \{w,z\}\cup \{uw,vw,xz,yz\}}
。首 くび 先 さき
G
′
{\displaystyle G'}
仍然是 ぜ 2连通的 てき ,这是因 いん 为,
G
′
{\displaystyle G'}
的 てき 构造过程是 ぜ 加入 かにゅう 两个点 てん 且两个点均 ひとし 与原 よはら 图
G
{\displaystyle G}
中 ちゅう 两个点 てん 相 しょう 连,则考虑
G
′
{\displaystyle G'}
中 なか 的 てき 割 わり 集 しゅう
S
{\displaystyle S}
。若 わか 割 わり 集中 しゅうちゅう 含有 がんゆう 新 しん 加入 かにゅう 的 てき 点 てん
{
w
,
z
}
{\displaystyle \{w,z\}}
,则除去 じょきょ 新 しん 加入 かにゅう 的 てき 点 てん ,
S
−
{
w
,
z
}
{\displaystyle S-\{w,z\}}
是 ぜ 原 げん 图
G
{\displaystyle G}
的 てき 割 わり 集 しゅう ,而根据 すえ 描述1,
G
{\displaystyle G}
本 ほん 是 ぜ 2连通的 てき ,则
|
S
|
≥
2
+
1
=
3
{\displaystyle |S|\geq 2+1=3}
或 ある
|
S
|
≥
2
+
2
=
4
{\displaystyle |S|\geq 2+2=4}
;若 わか 割 わり 集中 しゅうちゅう 不 ふ 含有 がんゆう 新 しん 加入 かにゅう 的 てき 点 てん ,如果割 わり 集 しゅう 取 と 自 じ
{
u
,
v
,
x
,
y
}
{\displaystyle \{u,v,x,y\}}
,则
|
S
|
≥
2
{\displaystyle |S|\geq 2}
,否 いや 则
S
{\displaystyle S}
实际上 じょう 是 ぜ 原 げん 图
G
{\displaystyle G}
的 てき 割 わり 集 しゅう ,所以 ゆえん 同 どう 样,
|
S
|
≥
2
{\displaystyle |S|\geq 2}
。所以 ゆえん 无论如何 いか ,对于
G
′
{\displaystyle G'}
的 てき 任意 にんい 割 わり 集 しゅう ,其大小 しょう 至 いたり 少 しょう 为2,故 ゆえ
G
′
{\displaystyle G'}
仍然是 ぜ 2连通的 てき 。实际上 じょう ,关于向 むこう
k
{\displaystyle k}
-连通图加入 かにゅう 辅助点 てん 的 てき 更 さら 一般的结论称为「扩展引理」(expansion lemma ),它也在 ざい 证明门格尔定理 ていり 中 ちゅう 发挥了 りょう 作用 さよう 。[ 5]
那 な 么根据 すえ 描述3,对于
G
′
{\displaystyle G'}
,一定 いってい 存在 そんざい 环
C
{\displaystyle C}
,
w
,
z
{\displaystyle w,z}
均 ひとし 位 い 于
C
{\displaystyle C}
上 うえ 。而
w
,
z
{\displaystyle w,z}
的 まと 度 ど 均 ひとし 为2,所以 ゆえん
u
w
,
v
w
,
x
z
,
y
z
{\displaystyle uw,vw,xz,yz}
也位于
C
{\displaystyle C}
上 うえ ,且
C
{\displaystyle C}
的 てき 其他边均来 き 自 じ 原 げん 图
G
{\displaystyle G}
。于是可 か 以将
u
w
v
{\displaystyle uwv}
替 がえ 换成
u
v
{\displaystyle uv}
,
x
z
y
{\displaystyle xzy}
替 がえ 换成
x
y
{\displaystyle xy}
,从而
u
v
,
x
y
{\displaystyle uv,xy}
均 ひとし 位 い 于原图中的 てき 一 いち 个环上 じょう 。
惠 めぐみ 特 とく 尼 あま 定理 ていり 提供 ていきょう 了 りょう 对于2连通性的 せいてき 更 さら 具体 ぐたい 的 てき 性 せい 质刻画 が ,从而提供 ていきょう 了 りょう 另一种对于2连通性 せい 的 てき 具体 ぐたい 证明方向 ほうこう 。
^ Kewen Zhao. Sanya. A simple proof of Whitney's Theorem on connectivity in graphs (PDF) . Mathematica Bohemica. 2011, 136 (1): 25-26 [2021-12-10 ] . doi:10.21136/MB.2011.141446 . (原始 げんし 内容 ないよう (PDF) 存 そん 档于2021-12-10).
^ Hassler Whitney. Congruent graphs and the connectivity of graphs . American Journal of Mathematics. 1932, 54 (1): 150-168. doi:10.2307/2371086 .
^ West, Douglas Brent. Introduction to Graph Theory . Prentice Hall. 2001: 161 . ISBN 81-7808-830-4 .
^ West, Douglas Brent. Introduction to Graph Theory . Prentice Hall. 2001: 162 . ISBN 81-7808-830-4 .
^ West, Douglas Brent. Introduction to Graph Theory . Prentice Hall. 2001: 162 , 167-168. ISBN 81-7808-830-4 .
图 種類 しゅるい
結構 けっこう
属性 ぞくせい
二元 にげん 運算 うんざん
映 うつ 射 い 、關係 かんけい
定理 ていり