Kvant

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

11

V. Boltyansky

Đồ thị Plockian

Trong bài viết này, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu các tính chất tôpô của đồ thị, đã bắt đầu từ số trước của tạp chí. Lần này chúng ta sẽ nói về một số tính chất sâu của đồ thị phẳng. Việc nghiên cứu chúng sẽ đòi hỏi sự kết hợp giữa “con quỷ đại số trừu tượng” và một trong những tay sai của hắn - một bất biến được gọi là chỉ số giao.

Ba ngôi nhà và ba cái giếng

Đồ thị AA được cho là có thể nhúng vào mặt phẳng nếu có đồ thị A′A' trên mặt phẳng có dạng hình học AA. Do đó, một đồ thị bao gồm các cạnh của một khối tứ diện và một đồ thị bao gồm các cạnh của hình lập phương đều có thể nhúng được vào mặt phẳng (Hình 1).

Chúng ta hãy đưa ra hai ví dụ về đồ thị không thể nhúng vào một mặt phẳng.

Ví dụ 1 (“nhà và giếng”). Sáu điểm được cho trên mặt phẳng: D1,D2,D3D_1, D_2, D_3 (nhà) và K1,K2,K3K_1, K_2, K_3 (giếng); Có thể vẽ đường nhiệt đới trên mặt phẳng từ mỗi nhà đến từng giếng sao cho không có hai đường nhiệt đới nào giao nhau không?

Hình 1.
Hình 2.

13

rằng mỗi chu trình là một tập hợp của một số hữu hạn các đường đứt nét, mỗi đường đứt đoạn nằm trên một đường tròn (và các đường đứt nét này theo cặp không có liên kết chung).

Pozny chỉ cần thiết lập một tuyên bố khá có thể chứng minh là đủ trong trường hợp mỗi chu kỳ x,yx, y bao gồm một vòng tròn chia sẻ mái ấm gia đình bị hỏng. Bằng cách di chuyển nhẹ các đỉnh của chu trình xx và yy, chúng ta có thể đảm bảo rằng chỉ số I(x,y)I(x, y) không thay đổi và không có đoạn nào trong chu trình xx song song với bất kỳ đoạn nào có trong yy. Chúng ta hãy chọn một đường thẳng ll không song song với bất kỳ đường thẳng nào nối bất kỳ đỉnh nào của chu trình xx với bất kỳ đỉnh nào của chu kỳ yy, và chúng ta sẽ liên tục di chuyển chu trình xx (như một tổng thể cứng nhắc) song song với đường thẳng ll (Hình 5). Chỉ số giao nhau I(x,y)I(x, y) chỉ có thể thay đổi tại những thời điểm khi các đỉnh của chu trình kép xx đi qua các cạnh của chu trình cố định yy hoặc khi các cạnh của chu trình xx đi qua các đỉnh của chu trình yy (các đỉnh của chu trình xx không thể đi vào các đỉnh của chu trình yy do chọn đường thẳng ll). Tuy nhiên, như Hình 6 cho thấy, tại thời điểm khi một số cạnh aa của chu kỳ xx đi qua đỉnh qq của chu kỳ yy, số điểm giao nhau không thay đổi tính chẵn lẻ của nó và do đó chỉ số giao nhau I(x,y)I(x, y) không thay đổi. Điều tương tự cũng xảy ra khi các đỉnh của chu trình xx đi qua các cạnh của chu trình yy.

Vì vậy, trong toàn bộ chuyển động chỉ số giao nhau không thay đổi và bất biến. Nhưng cuối cùng chu trình xx kết thúc ở vị trí không có điểm chung với yy (xem Hình 5), do đó chỉ số giao nhau trở thành 0. Do đó, ban đầu nó là I(x,y)=0I(x, y) = 0.

Không thể nhúng của biểu đồ patvertex hoàn chỉnh

Bây giờ chúng ta có thể chứng minh rằng đồ thị P2P_2 được xem xét trong Ví dụ 2 không thể nhúng vào mặt phẳng. Hãy nối 5 điểm trên mặt phẳng theo cặp bằng các đường đứt nét, tạm thời không chú ý đến các giao điểm. Các mép gãy không có đầu chung gọi là tình trạng không có cuống. Chúng ta hãy biểu thị bằng JJ tổng các chỉ số giao nhau trên tất cả các tham số của các cạnh RES. Tất nhiên, con số JJ phụ thuộc vào cách vẽ các cạnh trên mặt phẳng. Nếu chúng có thể được vẽ mà không có giao điểm thì số JJ sẽ bằng 0. Tuy nhiên, chúng ta sẽ chứng minh rằng với bất kỳ

14

Cách kiểm tra cạnh là số J lẻ. Điều này sẽ chứng minh rằng đồ thị P2P_2 không thể nhúng vào mặt phẳng.

Giả sử chúng ta thay đổi vị trí của một cạnh, chẳng hạn như M1M2M_1M_2. Chúng tôi biểu thị vị trí ban đầu của cạnh này bằng xx và vị trí mới của nó bằng x′x'. Không liền kề với cạnh M1M2M_1M_2 là ba cạnh (M3M4M_3M_4, M4M5M_4M_5, M5M3M_5M_3). Đa tuyến khép kín M3M4M5M_3M_4M_5 (có thể giao nhau với chính nó) là một chu trình; hãy biểu thị nó bằng yy (Hình 7). Các đường đứt nét xx và x′x' gộp lại với nhau cũng tạo thành một chu trình. Vì chỉ số giao nhau của hai chu kỳ bất kỳ bằng 0:

I(x∪x′,y)=0,I(x \cup x', y) = 0,

số giao điểm của cạnh xx với chu trình yy (tức là với tất cả các cạnh không liền kề với nó) có cùng độ chẵn lẻ với số giao điểm của cạnh x′x' với chu trình yy.

Như vậy, khi thay cạnh xx bằng cạnh x′x' thì số JJ không thay đổi tính chẵn lẻ của nó.

Từ những gì đã được chứng minh, ta suy ra rằng đối với mọi cách sắp xếp các cạnh trên mặt phẳng, số JJ luôn có cùng tính chẵn lẻ. Thật vậy, nếu đưa ra hai cách sắp xếp các cạnh khác nhau, thì, tuần tự chú ý đến cạnh đầu tiên của cách sắp xếp thứ nhất với cạnh tương ứng của cách sắp xếp thứ hai, sau đó là cạnh khác, cách sắp xếp khác, v.v., chúng ta sẽ dần dần thay thế cách sắp xếp thứ nhất bằng cách sắp xếp thứ hai, và tính chẵn lẻ của số JJ, theo những gì đã được chứng minh, sẽ không thay đổi.

Vì vậy, đối với tất cả các vị trí cạnh, số JJ chẵn hoặc lẻ cho tất cả các vị trí. Trong Hình 3 chỉ có một điểm giao nhau (tất nhiên, các cạnh cong trong hình này có thể được thay thế bằng các đường đứt nét). Như vậy trên hình 3 là số JJ bằng một, và do đó với mọi cách sắp xếp các cạnh thì nó là số lẻ và do đó, P2P_2 Chúng ta đừng đặt nó trong một chiếc máy bay.

Bài toán

  1. Chứng minh rằng đồ thị P1P_1 từ Ví dụ 1 không thể nhúng vào mặt phẳng.
  2. Các cạnh của đồ thị là các cạnh và hầu hết các đường chéo của nn-giác đều

(n>3)∗(n > 3)^*. Chứng minh rằng thậm chí nn đồ thị này có thể được nhúng vào một mặt phẳng, nhưng nếu nó là số lẻ thì không thể.

  1. Các cạnh của đồ thị là các cạnh và hầu hết các đường chéo*) của một 2n2n-giác thông thường. Chứng minh rằng với n⩾3n \geqslant 3 đồ thị này không thể nhúng vào mặt phẳng.
  2. Các cạnh của đồ thị là các cạnh và hầu hết các đường chéo*) (2n+12n+1 đều (2n+1)(2n+1)-giác của chúng. Chứng minh rằng đồ thị này không thể nhúng vào mặt phẳng.

Nó không thể đơn giản hơn sao?

Ở trên (xem Hình 5, 6), chúng ta đã chứng minh rằng chỉ số giao nhau của hai chu trình bất kỳ trên mặt phẳng đều bằng 0. Có lẽ bạn đọc sẽ gợi ý cách chứng minh đơn giản hơn sau: ta sẽ đi theo đường đứt nét kín xx; tại mỗi điểm giao nhau với đường đứt nét kín yy chúng ta sẽ đi vào vùng bên trong của đường đứt nét yy hoặc để vào vùng bên ngoài; vì điểm vào và điểm thoát đi qua một điểm nên số điểm vào bằng số điểm thoát; Điều này có nghĩa là tổng số giao điểm của các đường đứt nét xx và yy là số chẵn.

Tuy nhiên, bằng chứng này chỉ có thể được coi là đúng nếu ý nghĩa của khái niệm “khu vực nội bộ” đã rõ ràng và khái niệm này thoạt nhìn không đơn giản chút nào. Ý nghĩa của khái niệm này được làm rõ.

Định lý Jordan

Một đường khép kín đồng phôi với một đường tròn được gọi là đường khép kín đơn giản.

*) Hơn nữa, các “đường chéo” của giáo viên được nâng lên trong không gian và do đó không giao nhau theo cặp.

15

dòng băm nhỏ. Định lý Jordan là bất kỳ đường khép kín đơn giản nào nằm trên một mặt phẳng đều chia mặt phẳng này thành hai phần (bên trong và bên ngoài). Hãy giải thích ý nghĩa của định lý này. Cho ll là một đường khép kín đơn giản trên mặt phẳng. Chúng ta hãy lấy các điểm, p,qp, q, không nằm trên đường thẳng ll. Nếu pp và qq có thể được nối bằng một đường đứt nét không giao nhau với ll thì các điểm pp và qq được coi là nằm trong cùng một vùng so với đường ll. Nếu bất kỳ đường đứt đoạn nào nối các điểm pp và qq nhất thiết phải giao nhau với ll thì chúng tôi coi rằng pp và qq nằm ở các khu vực khác nhau. Định lý Jordan phát biểu rằng đường thẳng ll xác định hai vùng mặt phẳng.

Người ta không nên nghĩ rằng định lý Jordan phát biểu điều gì đó hoàn hảo. Mỗi “sự hiển nhiên” của nó chỉ được giải thích bởi thực tế là những đường rất đơn giản thường xuất hiện trong đầu bạn (hình tròn, đường viền của đa giác lồi, v.v.). Trong trường hợp tổng quát, phát biểu

Hình 8.

Phần cuối của định lý Jordan không rõ ràng lắm. Hình 8 cho thấy một đường đa tuyến khép kín đơn giản (có thể kiểm tra điều này bằng cách vẽ một đường bằng bút chì). Tuy nhiên, không hề rõ ràng rằng mặt phẳng bị đường này cắt thành hai vùng; ví dụ, không thể xác định ngay được điểm a,b,c,da, b, c, d nằm ở khu vực nào (bên trong hay bên ngoài).

Chúng ta sẽ chứng minh định lý Jordan dựa trên việc áp dụng chỉ số giao. Trong trường hợp này, chúng tôi giới hạn bản thân trong trường hợp khi ll không phải là một đường khép kín đơn giản tùy ý trên mặt phẳng, mà là một đường gãy khép kín đơn giản.

Đặt b1,b2,…,bnb_1, b_2, \dots, b_n là các mắt xích liên tiếp của đường đứt nét ll. Hãy vẽ một đoạn liên kết giao nhau b1b_1 tại điểm aa và lấy hai điểm p,p′p, p' trên đoạn này, nằm ở hai phía đối diện của liên kết b1b_1 ở cùng một khoảng cách với nó. Thông qua các điểm pp, chúng ta vẽ một đoạn song song với liên kết b1b_1 đến điểm giao nhau của nó với bisertric của góc giữa các liên kết b1b_1 và b2b_2 (Hình 9). Từ điểm giao nhau này, chúng ta vẽ một đoạn song song với b2b_2 cho đến khi nó giao với bisertric của góc giữa các liên kết b2b_2 và b3b_3, v.v. Kết quả là chúng ta thu được một đường đứt nét xx, các liên kết của chúng có cùng khoảng cách với các liên kết tương ứng của đường gãy ll. Nếu trong trường hợp này, điểm pp được lấy đủ gần với aa thì đường được xây dựng xx không giao nhau ll và việc đi dọc theo đường ll sẽ quay trở lại điểm pp hoặc tới p′p'. Tuy nhiên, dễ hiểu là đường đứt nét xx thuộc về điểm p′p' nếu đường đứt nét xx nối các điểm pp và p′p', thì bằng cách thêm đoạn pp′pp' vào xx, chúng ta sẽ thu được một chu trình giao với chu trình ll tại một điểm duy nhất aa, tức là chỉ số giao nhau của hai chu trình này bằng 1, điều này là không thể. Vì vậy, xx là một đa tuyến đóng xuất phát từ điểm pp, đi một lần dọc theo đường đứt nét ll và quay trở lại điểm p′.p'. Tương tự, ta được một đa tuyến đóng x′x', đi một lần dọc theo đường đứt nét p′p', một lần đi dọc theo đường gãy ll và quay trở lại điểm p′p'.

16

Bây giờ giả sử cc là một điểm tùy ý không nằm trên đường thẳng ll. Sau đó, nó có thể được tạo điều kiện thuận lợi mà không cần giao nhau ll, với điểm pp hoặc với điểm p′p': chỉ cần kiểm tra từ điểm cc các tia giao nhau với các đường x,x′x, x' và từ điểm cc đi đến điểm giao nhau đầu tiên của tia này với bất kỳ đường thẳng nào x,x′x, x', rồi dọc theo đường này đến điểm pp hoặc p′p'.

Không khó hiểu khi hai đường đứt nét y,zy, z khác nhau được vẽ từ điểm cc, không cắt nhau ll và kết thúc tại một trong các điểm p,p′p, p', thì cả hai đều có cùng một điểm. Trên thực tế, nếu đường đứt nét yy nối điểm cc với pp và đường đứt nét zz nối điểm cc với p′p' (Hình 10), thì đường đứt nét y∪zy \cup z cùng với đoạn pp′pp' sẽ tạo thành một chu trình có chỉ số giao nhau với chu trình ll bằng 1, điều này là không thể.

Bây giờ việc chứng minh định lý Jordan không khó. Chúng ta hãy biểu thị bằng UU tập hợp tất cả các điểm trên mặt phẳng có thể nối với điểm pp mà không cắt nhau ll và bằng VV là tập hợp các điểm có thể nối với điểm p′p' mà không cắt nhau ll. Khi đó UU và VV sẽ là hai vùng mà đường ll phân chia mặt phẳng. Trong thực tế, nếu điểm

c1,c2c_1, c_2 thuộc cùng một vùng (giả sử UU) thì có các đường đứt nét y1,y2y_1, y_2, không giao nhau ll, nối c1c_1 và c2c_2 với điểm pp. Sự kết hợp của họ là một đường đứt đoạn nối c1c_1 và c2c_2 và không giao nhau ll. Vì vậy, hai điểm thuộc cùng một vùng có thể được kết nối bằng một đường đa tuyến không giao nhau ll (nếu không, như trên, chúng ta sẽ có một chu trình có chỉ số giao nhau là 1 với ll).

Như vậy, định lý Jordan (đối với trường hợp đường đứt nét khép kín đơn giản) đã được chứng minh.

Quét. Tất cả các điểm “xa” của mặt phẳng đều nằm trong cùng một khu vực so với đường ll (Hình 11). Do đó, một trong hai vùng được xác định bởi các đường ll không bị giới hạn và vùng còn lại bị giới hạn. Vùng không giới hạn được gọi là bên ngoài và vùng giới hạn được gọi là bên trong. Các điểm của vùng bên ngoài được đặc trưng bởi thực tế là từ những điểm này người ta có thể kiểm tra các đường đứt đoạn không giao nhau ll và đi xa ll như mong muốn; các điểm trong miền nội địa không có tính chất này.

Bài tập.

  1. Nếu đường gãy ll rất phức tạp thì rất khó để xác định “bằng mắt” rằng điểm aa nằm ở khu vực nào (bên trong hay bên ngoài): để làm được điều này, bạn cần tìm hiểu xem, bắt đầu từ điểm aa, có thể thoát ra “mê cung” được hình thành bởi đường ll hay không (xem Hình 8). Chứng minh rằng nếu một tia phát ra từ điểm aa và không đi qua các đỉnh của đường đứt nét ll cắt ll tại một số điểm chẵn thì điểm aa nằm trong vùng bên ngoài (tức là có thể thoát ra khỏi “mê cung”), còn nếu ở số lẻ thì điểm aa nằm trong vùng bên trong.

  2. kk các đường đứt nét được vẽ trên mặt phẳng, mỗi đường nối hai điểm cho trước pp và qq. Chứng minh rằng nếu không có đường đứt nét nào khác theo cặp thì mặt phẳng được chia thành các vùng kk.