background image

 

 

WYKŁAD 3.

 Kliki i zbiory niezależne

• Ile 

co najmniej

 krawędzi gwarantuje 

istnienie kliki wielkości k?

• Ile 

co najwyżej

 krawędzi gwarantuje 

istnienie zbioru niezależnego 
wielkości k?

• Ile 

co najmniej

 

wierzchołków

 

gwarantuje klikę wielkości  

lub

 

zbiór niezależny wielkości ?

background image

 

 

Ile krawędzi gwarantuje 

K_3 ?

• n^2/4

 nie gwarantuje, bo K(n/2,n/2)

• Tw. (Mantel, 1907)  

Jeśli graf o 

n

 

wierzchołkach ma więcej niż 

n^2/4

 

krawędzi, to zawiera trójkąt.

• Dowód: 

– graf bez trójkąta, v 

--wierzchołek o stopniu Δ, N(v) – 

zbiór sąsiadów v w G. Zbiór N(v) 

jest niezależny, stąd 

 

4

)

(

2

/

n

n

e(G)

background image

 

 

Ilustracja dowodu Tw. 

Mantla

v

N(v)

n-Δ-1

Δ

V-{v}-N(v)

background image

 

 

Wniosek z dowodu Tw. 

Mantla

• Jeśli n jest parzyste, G ma n^2/4 krawędzi 

i nie zawiera K_3, to G=K(n/2,n/2).

• Jeśli n jest nieparzyste, G ma (n^2-1)/4 

krawędzi i nie zawiera K_3, to  G=K((n-
1)/2,(n+1)/2).

• Dowód dla n parzystego

:  w dowodzie Tw. 

Mantla równość e(G)=n^2/4 zachodzi 
tylko, gdy Δ=n/2 i nie ma krawędzi o obu 
końcach w V-N(v).

background image

 

 

Uogólnienie problemu

• Dane: graf H i liczba naturalna n;
• Graf G nie zawierający H, o n 

wierzchołkach i 

największej

 możliwej 

liczbie krawędzi nazywamy 

ekstremalnym

 

dla H i n, a jego liczbę krawędzi oznaczamy 
przez 

ex(n,H).

• Na przykład, dla n parzystego i H=K_3

K(n/2,n/2)

 jest ekstremalny, a 

ex(n,K_3)=n^2/4.

background image

 

 

Tw. Turána -- intuicja

Żeby upchnąć jak najwięcej krawędzi 

unikając K_{k+1}, trzeba budować 

k-dzielny graf pełny.

n/k

n/k

n/k

background image

 

 

Tw. Turána

Graf Turána

 

T_k(n)

 to k-dzielny graf pełny, którego podział 

wierzchołków składa się z   k-r zbiorów mocy q i r zbiorów 

mocy q+1. Dla n=1,...,k-1 przyjmujemy 

T_k(n)

 = K_n.

Oznaczmy 

t_k(n)

=e(T_k(n)). Jasne, że

 

k

r

r, 

qk

n, n

k

0

 

Tw.Turána 1941 

Jedynym grafem 

ekstremalnym dla K_{k+1} i n jest graf 
Turána T_k(n). W szczególności

t_k(n)

})

ex(n,K_{k

1

t_k(n)

})

ex(n,K_{k

1

background image

 

 

Dowód Tw. Turána

• Indukcja względem n: prawda dla 

n=1,...,k.

• Załóżmy, że n>k a G jest grafem 

ekstremalnym dla n i K_{k+1}.

• G musi zawierać klikę K={x_1,...,x_k} 

mocy k.

• Z zał.ind. e(G-K) nie przekracza t_k(n-k).

• Każdy wierzchołek grafu G-K ma w K co 

najwyżej k-1 sąsiadów.

 

 

n

t

k

k

k

n

k

n

t

G

e

k

k

2

)

1

)(

(

)

(

background image

 

 

Ilustracja: k=4

K

G-K

background image

 

 

Ilustracja: grafy Turána

n=13, k=4, t_k(13)-t_k(9)=

6

+

9•3

background image

 

 

Dowód Tw. Turána – c.d.

• G jest ekstremalny, więc e(G)=t_k(n).

• Zatem każdy wierzchołek w G-K ma 

dokładnie

 k-1 sąsiadów w K.

• Niech V_i={v: vx_i nie jest 

krawędzią}.

• Zbiory V_i są niezależne i pokrywają V, 

więc G jest k-dzielny.

• Ale jedynym ekstremalnym grafem k-

dzielnym jest graf Turána T_k(n).  

background image

 

 

Oszacowania liczb Turána

• Łatwo pokazać, że (

ćwiczenia

)

 

2

2

1

n

k

k

n

t

k

 

k

k

n

n

t

k

n

1

2

lim

1

background image

 

 

Ile krawędzi gwarantuje 

α>2 ?

nie gwarantuje, bo 

2K_{n/2}

 (tutaj n 

parzyste)

czyli dopełnienie grafu Turána.
Ale mniej już tak – na podstawie Tw. Turána.

2

2

/

2

n

background image

 

 

Oszacowanie  α z dołu

• Tw. Caro’79 i Wei’81

 

V

v

v

d

G

1

1

Dowód

: Dla każdej permutacji 

wierzchołków π, niech l(π) będzie 
liczbą wierzchołków mających 
wszystkich sąsiadów „na prawo”. 
Tworzą one zbiór niezależny, więc

   

l

background image

 

 

Dowód – c.d.

• Niech ł(v)  będzie liczbą permutacji, w 

których v ma wszystkich sąsiadów na prawo. 
Wtedy

 

 

v

v

ł

l

• oraz

 

1

!

)!

1

(

!

1

v

v

v

v

d

n

d

n

d

d

n

v

ł

• Zatem istnieje π takie, że

 

V

v

v

d

l

1

1

background image

 

 

Ilustracja

v

N(v)

background image

 

 

Przyjęcie na 6 osób

• Wśród dowolnych trzech osób 

zawsze

 

są co najmniej dwie tej samej płci.

• Wśród dowolnych sześciu osób 

zawsze

 są co najmniej trzy, które się 

znają 

LUB

 co najmniej trzy, które się 

nie znają.

A

B

C

D

E

F

background image

 

 

Liczba K_3 łącznie w 

grafie i jego dopełnieniu

Goodman 1959 

Łącznie trójkątów w grafie 

na n wierzchołkach i jego dopełnieniu 
jest co najmniej n(n-1)(n-5)/24.

Dowód

: Niech t_i będzie liczbą 

indukowanych podgrafów grafu G o 3 
wierzchołkach i i krawędziach, i=0,1,2,3.

 

2

1

2

1

t

t

d

n

d

v

V

v

v

background image

 

 

Ilustracja

v

d_v

n-1- d_v

background image

 

 

Dowód tw. Goodmana -- 

dokończenie

2

2

1

3

0

2

1

2

3

)

(

3

 

n

n

n

t

t

n

t

t

background image

 

 

Tw. Ramseya

Notacja „strzałkowa” Erdősa-Rado

:

Piszemy 

 (k,l), gdy każdy graf na n 

wierzchołkach zawiera klikę mocy k 

LUB

 

zbiór niezależny mocy l (równoważnie, 
jego dopełnienie zawiera klikę mocy l).

Przykład: 6 

 (3,3)

Tw. (Ramsey 1930) 

Dla wszystkich 

naturalnych k i l, istnieje n takie, że          
   n 

 (k,l).

background image

 

 

Dowód tw. Ramseya

• Indukcja względem k+l

• Jeśli k=2 to 

 (k,l).

• Zawsze:  n 

 (k,l) wgdy 

 (l,k)

 

• Weźmy k>2 i l>2; niech n_1

 (k-1,l), 

n_2

 (k,l-1)  (

tutaj stosujemy zał. 

ind

.)

• Pokażemy, że n_1+n_2 

 (k,l).

• W dowolnym grafie G na n_1+n_2 

wierzchołkach, każdy wierzchołek v 

ma albo co najmniej n_1 sąsiadów 

albo co najmniej n_2 nie-sąsiadów. 

background image

 

 

Dowód tw. Ramseya – c.d.

• Bez straty ogólności (symetria!) przyjmijmy 

przypadek pierwszy i do podgrafu 
indukowanego  G[N(v)], gdzie  |N(v)|=n_1
zastosujmy własność      n_1 

(k-1,l).

• Jeśli G[N(v)] zawiera zbiór niezależny mocy 

l, to koniec dowodu.

• Jeśli G[N(v)] zawiera klikę mocy k-1, to ta 

klika wraz z wierzchołkiem tworzy klikę 
mocy k.  

background image

 

 

Ilustracja

v

n_1=R(k-1,l)

n_2=R(k,l-1)

background image

 

 

Liczby Ramseya

• R(k,l) to najmniejsza liczba n taka, że  n

 (k,l).

 

• R(3,3)=6 bo 6 

 (3,3) oraz istnieje graf na 5 

wierzchołkach (

jaki?

) taki, że ω=α=2.

• Z dowodu Tw. Ramseya wynika rekurencja

   

)

1

,

(

)

,

1

(

)

,

(

l

k

R

l

k

R

l

k

R

10

4

6

)

2

,

4

(

)

3

,

3

(

)

3

,

4

(

R

R

R

9

3

4

)

,

R(

18

)

4

,

3

(

2

)

4

,

4

(

 R

R

9

)

4

,

3

(

R

18

)

4

,

4

(

R

?

)

5

,

5

(

R

background image

 

 

Oszacowania liczb 

Ramseya

k

c

k

k

k

k

R

k

4

1

2

2

)

,

(

2

/

2

)

,

(

k

k

k

R

(1)

(2)

background image

 

 

Gra ramseyowska -- online

Opis gry

: Zaczynając od pustego grafu, w 

każdej rundzie 

Konstruktor

 rysuje krawędź 

Malarz

 maluje ją jednym z dwóch kolorów.

  

Malarz

 przegrywa, gdy pojawi się 

monochromatyczny trójkąt.

  Ile rund może przetrwać

 

Malarz

, zakładając, 

że obaj gracze grają bezbłędnie?

Na pewno nie więcej niż 15 (

dlaczego

?), ale 

czy 

Konstruktor

 może osiągnąć wygraną 

wcześniej?

background image

 

 

Przykład gry


Document Outline