一个五点图和路的联图的交叉数

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2023年12月12日发(作者:我喜欢秋天作文)

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一个五点图和路的联图的交叉数

2011年11月 汕头大学学报(自然科学版) 第26卷第4期 NOV.201l Journal of Shantou University(Natural Science) V0I.26 No.4 文章编号:1001—4217(2011)04 0011—07 一个五点图和路的联图的交叉数 郑敦勇.黄元秋 (湖南师范大学数学与计算机科学学院.湖南长沙410081) 摘要:计算了一个具体图类日 的交叉数,然后研究了一个五点图G和 路的联图G V , 并用归纳假设法证明了这个五点图和路的联图的交叉数Cr(G V ),即当n≥2时,Cr(CV )=4L 儿丁I儿ll 一】 j.J+L . J .rt J+1.J 关键词:图;画法;交叉数;联网 中图分类号:0 157.5 文献标识码:A O 引 言 图的交叉数是图的拓扑性质中一个重要的参数.研究图的交叉数不仅具有重要的理 论意义,也具有很大的实践意义,比如有关超大规模集成电路(VLSI)中的布线问题等. 然而在图论中,计算一个图的交叉数是很困难的.因为一般来说.找到一个图的交叉数 的上界所对应的画法是比较容易的.但是要证明这个画法的交叉数即最小交叉数确实非 常困难.实际上,Garey M R和Johnson D St 1证明计算一个图的交叉数的一般问题是个 NP—complete问题(读者可以分别参考文献 】中两个比较复杂的图的交叉数的结果).目 前,我们仅仅知道几类非常有限的图的交叉数『41,比如关于完全二部图K 的交叉数, Harary F[5】已经证明,如果m≤6,则Cr( )=z(m,n),这里z(m,n):l等儿 J l争儿 j;M i n K1。 。[61论述了联图的交叉数,并对一些特殊联图的交叉数给出了 证明;李波等人 证明了几个六阶图和路 的联图的交叉数.本文在上述基础上.研 究了一个五点图和 的联图的交叉数. 1 基本知识 本文未做说明的概念和术语均同文献[8】。且无特别说明时.所涉及的网均指连通简 收稿日期:2010—06—14 作者简介:郑敦勇(1986一),男,湖南常德人,硕士.研究方向:图论及其应用 E—mail:zhengdunyong04102@yahoo.eom.cll; 黄元秋(1966一),男,湖南长沙人,教授.研究方向:图论及其应用 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.10771062) l2 汕头大学学报(自然科学版) 第26卷 单图,用V(G)和E(G)分别表示图的点集和边集.图G在曲面上的一个画法是指把图 G的顶点画为曲面上的结点.把图G的边画为曲面上的弧.两条弧的公共点称为一个交 叉.图G在曲面上的一个画法若满足下列条件:i)没有任何弧自身相交;2)任何两条弧 最多相交一次:3)相邻的两条弧不相交:4)没有三条弧交于一个点.则称此画法为图G 的一个好画法.所有好画法中对应最少的交叉数目即为图G在该曲面上的交叉数.图 在平面(或球面)上的交叉数称为图G的交叉数.记为Cr(G).令D是图G在平面上的 一个好画法,则图G在画法D中的交叉数记为 。(G).把每个曲面上自身不相交的封闭 个区域是指 \ 的一个分支.如果两个区域的边界有一条公共弧或者公共弧的片 假设G和 是两个互不相交的图,G V日表示G和 的联图,是通过在V(G)和 曲线称为Jordan曲线.且任何Jordan曲线把曲面一分为二[9】,所以图G在画法D中的 一段.称这两个区域是相邻的.为了方便,把图的画法中的节点也称为顶点,弧也称为边. ( )之间添加边得到的;对于 (G)j=m和 (H)『=n,GV 的边集是由G、H的边集 和完全二部图 …的边集组成的『oJ. 文中计算了一个具体图类 的交叉数,并研究了五 点图G(见图1)和路 的联图G V ,然后根据H 的画 法和G V 的画法之间的一些关系,用数学归纳法证明了 G V 的交叉数,即 Cr(Gv ):4 L ̄-J L J+l +1. 下面的等式很容易证明,将在下文经常使用: Cr ̄(A UB):Cr ̄(A)+Cry(B)+CrD(4,B) G 图1 G的一个好画法 (1) (2) Cr ̄(A,BUC)=Cro(A,B)+Cr ̄(A,C) 其中图4,图B和图C是图中E相互不相交的子图,D是图E的一个好画法 2主要结果  ,K 的5个n一 用图 表示G UK (G为一个五点图). , 度点和G的5个顶点是相同的点;对i=1,2,…,n,用t 表示 中n个5一度点中的一个点,并且用 表示K , 中与 fI 点t 相连的5条边以及点t 构成的子图,见图2,因此,有 H :G u 5. =G U(U ) i=l (3) 图2 的一个好画法 定理1如果 ≥1,N6-c,( ):z(5, )+L争J. 证明 图3所描述的画法显示, (H )≤z(5,n)+l争j= 4 l争儿旦 j+ttJ,并且如果取等号成立,则定理是对的, 所以对 进行归纳假设.当n=1和n=2时,该等式显然是 成 的,现在假设当 ≥3时, 图3 H 的一个好画法 第4期 郑敦勇等:一个五点图和路的联图的交叉数 l3 Cr(/H4 )≥4 )≥丁儿丁J4L Jl孚J+l+L J丁J (4) 并且假设存在一个画法D.使得 c ( )≤4L ̄-JL J+l (5) 然后分析在每个好画法里.是否存在不同的子图 和 相互交叉. 断言1假设在画法D内,每对 相互交叉,结合式(1)~(5),则有 Cro(H )=Cro(K5. )+Cro(G)+Cro(G,K5, ) ≥4L ̄-/L J+cr (G)+Cro(G, 。). 因此,结合假设(5),有 Cro(G, U T‘)< . 所以能看出,在画法D中,和G交叉的子图 的个数不超过l争j,即至少有l争J+1个 子图 不和G交叉.现在考虑满足条件Cro(G,T )=0的子图 ,不失一般性,设 满 足Cr ̄(G,T )=0,设D 和D 分别是由画法 D导出的G和GUT1的子画法.因为Cr。(G, -)=0.则G的画法D 剖分整个平面,且 G的所有点都在同一个区域的边界上:因此 白 (1) (2) (3) (4) (5) 根据文献[10],找出G的所有可能的画法D , 见图4.所以根据上述G的所有画法 ,有 图4画法 的所有可能的画法 GU t的所有可能画法D .见图5.  ,。 . . 。 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 图5 画法D 的所有可能的画法 现在,对所有i∈{2,3,…,n}分析这些子图G U T U T .对所有的i∈{2,3,…,n},子 图G U T・U T 的每一个画法D 把平面分成很多区域.而每个区域的边界上要么包含G 的一部分顶点和t.点,要么只包含G的一部分顶点.所以,当ti( ∈{2,3,…,凡1)任意落 在这些区域时,且要使t 和G的所有顶点相连以及满足任意的两个71 和 (i,j∈f2,3, …,n1)相互交叉,则只会出现如下两种情况: 断言1.1 在图5中,除了区域 , , ,, 和 ,无论ti( ∈{2,3,…,n})落在 哪个区域,结合条件CrD(T ,Tj)≥1( , ∈{2,3,…,rq),则Cr。( ,GUT )≥3;因此有 n Cro(GUT ,U T )≥3(n一1) (6) i=2 结合式(1)~(2),(5)和(6),有 l4 汕头大学学报(自然科学版) 第26卷 Cro(H )=CrD(K5 1)+CrD(G U T )+CrD(G U Ti,K5 1) =CrD( 5. 1)+CrD(GUT )+Cro(GUT ,U T ) ≥z(5,n)+3(凡一1)≥41_ j+l孚j+3( 一1) ≥4 儿 和假设(4)矛盾. j+ j 断言1.2在图5的区域 :和 ,内, 必须和G相交叉,又因为每两个 和TJ(i, ∈{2,3,…,n})相互交叉,则CrD(T ,GUT )≥2. 断言l-3 在图5的区域 ,x 和 内,若 和G相交叉,则和断言1.2类似, 有Cr ̄(T ,GUT )≥2;若 不和G相交叉,则和断言1.1类似,即Cr『j( GUT )≥3. 然而,对于断言1.2和断言1.3,假设满足 必须和G相交叉的t 的个数为 ,则有 Cro(G U T ,U T )≥2x+3(n一1一 ). 又因为由式(1)~(2),(4)~(5)和(6)以及 <l争J,则有 Cro(H )=Cro(K5. 一1)+CrD(GuT )+CrD(Gu ,K5, 一1) =Cro(K5. 一1)+Cro(GU Ti)+Cr ̄(GU ,U )≥Z(5,n)+2 +3(n一1一 ) ≥4≥L l —— —一 l半一J— J+2+ +3x+3(n一1一n一一 ) ≥4l争儿 J+l争J, 因此,这和假设(4)矛盾. 断言2假设在画法D内.至少存在两个不同的 和 相互不交叉.不失一般性. 假设CrD( ,T )=0.因为H 的子图Du u 7T 包含了一个子K, 而Cr(K,3)=1;又 ,因为Cr(K )=4,所以对所有的i=3,4,…, ,Cro(T ,T‘UT )≥4,则 Cr ̄(H 一2,T U T )≥4(n一2)+1=4n一7. 又因为 = u tu 71 ,则结合上述讨论,有 C ( )=Cro(H )+Cro(T UT )+Cr ̄(H _2’T UT ) ≥4 l孚儿孚J+l孚J+4n一7 ≥4l争儿 J+l , 这也和假设(4)矛盾,即定理1证毕. 定理2如果凡≥1,则有Cr(G V P, )=z(5,n)+l手J+1. 证明 由图6可知,当n=1时,结论显然成立;然后用 数学归纳法证明当n≥2时.结论也仍然成立:假设结论对n一1 成立.则南图6可知 图6 GV 的一个好画法 第4期 郑敦勇等:一个五点图和路的联图的交叉数 15 Cr(GV )≤z(5,n)+l— j+1. 下证Cr(G V p, )≥z(5, )+l争J+1,又假设存在G V 的某个最优画法D使得 Cr。(GVPo)≤z(5,n)+l—争j+1. 用E(Po)表示 的边,结合定理1,有 Cro(G V )=Cro(H U ( )) =Cro(H )+Cro(E( ))+Cro(H ,E( )) ≥z(5, )+l罢一j+Cr。(tt ,E(尸, )). 由假设(7)可知,cr。( UE( ))=0, 所以 中的n个顶点均位于G的同一区域,又因为由图6也可得到, Cr(GV )=Cro(K . UGUE( )) :Cro(K5. )+Cro(G UE( ))+Cro(K5 G UE( )) +Cr『J(K5 ,G)+Cro(K5…E( )), ≥Cro(K,, )+CrD(G)+Cro(G,E(I n))+Cr。( ( )) 结合假设(7)可知, Cro( 5,n G)<l争j,即Cro( T ,G)<l手j. 所以在画法D中,和G交叉的子图T 的个数不超过l争J,即至少有l手J+1个子图T 不和G交叉. ’ 现在考虑满足条件Cro(G,Ti)=0的子图 不失一般性,设 ’满足Cro(G,T‘)=0, 设D 和D 分别是由画法D导出的G和G U T 的子画法.因为Cro(G,T‘)=0,则D的 子画法D 剖分整个平面.且G的所有点都在同一个区域的边界上.【大j此G所有画法如 定理1中图4所示的一样.而GUT1的所有画法与定理1中图5所示的相同.所以.发 现定理2的证明和定理1的证明类似,证明过程如下: 情形1 因为 中的 个顶点均位于G的同一个区域,且Cr。( T ,G)<l争J,所 I l 以 中任何点都不可能落在图5内不包含点f。的区域里,否则将不止l争l爪 和G交 叉.矛盾. 情形2在图5中,除了不包含点t。的区域,当 中n个顶点落在其它任何一个区 域时,若和 中的点对应的每个71l都不和G交叉,则结合定理1的证明过程.有 C (T ,GUT‘)≥3, 且 Cr(GV ):Cr。(Ks. UGUE(Pn)) =Cro(K5 一1)+Cro(GUT UE( ))+Cro(K5 一 ,GUT U ( )) 16 汕头大学学报(自然科学版) 第26卷 =Cro(K5 1)+CrD(GU T。UE( ))+Cro(U T ,G U T UE( )) i=2 ≥z(5, 一1)+3(n一1) I ^  l≥z(5,n一1)+L3-.J+1, 所以和假设(7)矛盾;而若和 中的点对应的所有 中有一部分和G交叉,且设有 个 T 和G交叉,则由前面的分析可知 必须满足 <l手j,结合定理1的证明过程,有: 当 和G交叉时,Cro(T ,GU T )≥2,否则Cro(T ,G U T )≥3. 所以. Cr(GV )=Cro(Ks. UGUE( )) :CrD(K5 )+Cro(G U T UE(Pn))+CrD(K5 。,G u T‘UE(Pn)) CrD(K5 J)+CrD(GUT UE( ))+CrD(U T ,GUT UE( )) i=2 =≥z(5,n一1)+3(n一1一 )+2 i,  I≥z(5,凡一1)+L 一J+1 这和假设(7)矛盾,因此当n≥2时,定理结论也成立. 3 结语 本文研究了一个五点图和路的联图的交叉数的问题.对联图类的交叉数的研究有一 定的参考作用.尽管目前有很多联图的交叉数已被确定.但大多数已有的结果都局限在 第一个因子图阶数较小的情形下.所以,我们可以不断深化已有研究的图类和方法,比如 可以在扩展第一个因子图或第二个因子图的基础上,继续研究联图的交叉数;或者去寻找 一种新的证明方法研究图的交叉数.这都将对图的交叉数的研究具有很大的推动作用. 参考文献: [1】Garey M R,Johnson D S. Crossing number is NP-complete[J].SIAM J Algebraic and Discrete Methods.1983(4):312—316. [2】Grohe M.Computing crossing number in quadratic time[J].In Proceedings of the 33 rd Acm Symposium on Theory of Computing STO,2001(1):23 1-236. 【3】Hlineny Peter.Crossing number is hard for cubic graphs,in:Jiri Fiala,Vaclav Koubek,Jan Kratochvil.Mathematical foundations of computer science 2004:29 International Symposium[C]. Prague:Czech Republic,2004(29):22—27. 【4】黄元秋,王晶.图的交叉数综述【J】.华东师范大学学报(自然科学版),2010(3):68—80. [5]Harary F.Graph theory[M].Addision-Wesley:Reading,MA,2004:772-782. 【6】Marian Klesc.The jion of graph and crossing number[J].Electronic Notes in Discrete Mathematics, 2007(28):349-355. 【7]李波,王晶,黄元秋.几个六阶图和路 的联图的交叉数[J].吉首大学学报(自然科学版),2008 (6):23—28. 第4期 郑敦勇等:一个五点图和路的联图的交叉数 17 [8】Bondy J A,Murty U S R.Graph theory with applications[M].London:Macmillan.1976. [9 Ar9】tur Kornilowicz.Jordan curve theorem[J].Formalized mathematics,2005(1 3):48 1—49 1. [10】Su Zheng—hua,Huang Yuan—qiu.The crossing number of cartesian products of stars with a 5-vertex graph[J].Journal of mathematical research&exposition,2009(4):580—586. [11】Marian Klesc.The crossing number of K2,3xC3….Discrete Mathematics,2002.251:109—117. [1 2】Sz6kely L A.A successful concept for measuring non—planarity of graph:the crossing number[J]. Discrete Math,2004,276:331—352. Crossing Number of the Join Graph of a 5-Vertex Graph and Path ZHENG Dun-yong,HUANG Yuan-qiu (Department of Mathematics,Hunan Normal University,Changsha 410081,Hunan,China) Abstract:The crossing number of graph Hn is studied and the crossing number of the join graph G V of a 5-vertex graph G and path is considered.By using inductive princeple,the crossing number。f the join。f G and Pn is shown as Cr(G V )=4 l手J l _LJ+l争j+1,for ≥2. Key words:graph;drawing;crossing number;join graph 

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