图论第四章 平面图及着色

图的平面性与图的着色问题在图论中，图的平面性与图的着色问题是两个重要的研究方向。

图的平面性指的是一种特殊的图的布局方式，使得图的边不相交。

而图的着色问题是指如何给图的顶点进行染色，使得相邻的顶点颜色不相同。

本文将分别介绍图的平面性和图的着色问题，并对其进行详细讨论。

一、图的平面性（Planarity of Graphs）图的平面性是图论中一个经典的问题，研究的是如何将一个图画在平面上，使得图的边不相交。

具体而言，如果一个图可以被画在平面上，且不同边的交点只有顶点，那么我们称该图是一个平面图。

而对于不能在平面上画出来的图，则被称为非平面图。

定理1：一个图是平面图，当且仅当它不包含任何的子图同构于以下两种图之一：K5（五个没有共同边的顶点）或K3,3（六个节点，其中任意两个节点之间都有边相连但不交叉）。

这个定理被称为Kuratowski定理，它为我们判断一个图是否是平面图提供了一个有效的方法。

根据Kuratowski定理，我们可以使用该定理的逆否命题，即如果一个图中包含K5或K3,3，则该图一定是非平面图。

除了Kuratowski定理之外，还有一种判断图的平面性的方法，称为Euler公式。

Euler公式表达了平面图的顶点数、边数和面数之间的关系：V - E + F = 2其中V表示顶点数，E表示边数，F表示面数。

根据Euler公式，对于简单连接图（无环，无孤立点），如果它的顶点数大于等于3且边数大于等于3，且满足Euler公式，则该图是一个平面图。

二、图的着色问题（Graph Coloring）图的着色问题是指如何给一个图的顶点进行染色，使得相邻的顶点颜色不相同。

这里的相邻指的是有边相连的顶点。

在图论中，颜色通常表示为正整数，颜色数则表示为给定图所需的最小颜色数。

对于任意图G，G的最小颜色数被称为G的色数。

如果图G的色数为k，则称图G是可k着色的。

求解一个图的最小色数是一个复杂的问题，称为顶点着色问题（Vertex Coloring Problem），它是一个NP 完全问题。

图的平面图与图的着色在图论中，图是由边和顶点组成的数学结构，用来描述事物之间的联系和关系。

图论是一门重要且广泛应用的数学分支，涉及到许多重要的概念和问题，其中包括图的平面图与图的着色。

一、图的平面图在图论中，平面图是指可以被画在平面上而不相交的图。

也就是说，图的边不能相交，且在同一个点上，至多只能有两条边相接。

平面图的研究起源于哥尼斯堡七桥问题。

经过数学家的研究，他们发现了一些重要的结论。

如Euler公式，它是平面图论的基础定理之一。

该定理表明，对于连通的平面图，其顶点数、边数和面数之间存在如下关系：v-e+f=2。

其中v代表顶点数，e代表边数，f代表面数。

除了Euler公式，平面图还有其他一些重要的性质，如四色定理。

四色定理指出，任何一个平面图都可以用不超过四种颜色进行着色，使得任意相邻的两个顶点使用不同的颜色。

二、图的着色图的着色是指给图的每个顶点分配一个颜色，使得相邻的顶点颜色不同。

图的着色问题是图论研究中的一个经典问题，在计算机科学和应用领域有广泛的应用。

在图的着色问题中，有两个重要的概念：色数和色法。

色数是指给图的顶点着色所需使用的最少颜色数目，可以用来衡量图的某种特性。

色法是指给图的所有顶点着色的具体方法。

图的着色问题是一个NP完全问题，也就是说，对于大规模的图，要找到一个最佳的着色方案是非常困难的。

因此，人们通常采用一些启发式算法或者近似算法来解决这个问题。

三、图的平面图与图的着色的应用图的平面图与图的着色在实际生活中有着广泛的应用。

在地图设计中，平面图的概念可以帮助我们设计出不相交的道路、铁路和河流等，使得地图更加直观和易于理解。

在电路设计中，平面图的概念可以帮助我们避免电路中的交叉线，从而简化电路的设计和布线。

在时间表安排中，图的着色可以帮助我们安排不同的任务和活动，使得它们之间没有冲突和重叠。

在频谱分配中，图的着色可以帮助我们将不同的无线电信号分配到不同的频段中，以避免信号之间的干扰。

图论中的平面图与染色问题图论是数学的一个分支，研究的是图的性质和图之间的关系。

在图论中，平面图与染色问题是重要的研究方向。

一、平面图平面图是指可以在平面上画出的图，其中任意两条边都不相交，任意两个顶点之间都只有一条边相连。

平面图可以用来描述许多实际问题，如地图、电路等。

在平面图中，有一个重要的定理，即欧拉定理。

欧拉定理是数学家欧拉在1736年提出并证明的，它给出了平面图中顶点数、边数和面数的关系。

根据欧拉定理，对于连通的平面图，满足公式：V - E + F = 2，其中V表示顶点数，E表示边数，F表示面数。

二、染色问题染色问题是图论中的一个经典问题，即给定一个图，如何用有限种颜色对图的各个顶点进行染色，使得相邻的顶点之间的颜色不相同。

这是一种常见的应用问题，如地图着色、课程表安排等。

在染色问题中，有一个重要的定理，即四色定理。

四色定理是染色问题中的一个著名定理，它指出任何平面图都可以用至多四种颜色对其顶点进行染色，使得相邻的顶点颜色不同。

三、平面图与染色问题的关系平面图与染色问题之间有着紧密的联系。

通过合理的染色方案，可以将一个平面图的顶点进行染色，满足相邻顶点颜色不同的要求。

同时，染色问题的解法与平面图的结构和性质也有关系。

在研究平面图与染色问题时，可以通过绘制平面图的平面嵌入图来分析和求解染色问题。

平面嵌入图是平面图在平面上的一种表示形式，可以把平面图的顶点和边绘制在平面上，形成一种更加直观的图形。

在解决染色问题时，可以借助平面嵌入图的结构和特性，通过一定的算法进行染色。

例如，可以利用贪心算法对顶点进行依次染色，确保相邻顶点染不同的颜色。

四、应用举例平面图与染色问题在实际中有广泛的应用。

一个典型的例子是地图着色问题。

在地图上，每个国家或地区可以用一个顶点表示，国家或地区之间的边表示它们的相邻关系。

通过对地图进行染色，可以实现相邻国家或地区的颜色不同，从而更加方便地辨认。

另一个例子是课程表安排问题。

图是离散数学中的重要概念，而平面图和平面图的着色是图论中的两个关键概念。

平面图是指在平面上绘制的图形，使得图中的边不会相交。

平面图的着色是指对平面图中的顶点进行染色，且相邻的顶点不会被染成相同的颜色。

平面图的概念最早由欧拉在1736年提出。

他发现，如果一个图是可以在平面上绘制而不会边相交的，那么这个图是一个平面图。

欧拉还引入了一个重要的公式，即欧拉定理，它描述了平面图中的顶点、边和面的关系：V - E + F = 2，其中V代表顶点数，E代表边数，F代表面数。

对于平面图的着色问题，四色定理是一个非常重要的结果。

四色定理指出，任何一个平面图，在不考虑多重边和自环的情况下，最多只需要使用四种颜色就能够对图的顶点进行染色，使得相邻的顶点不会有相同的颜色。

这个定理在1976年被由英国数学家Tomás Oliveira e Silva使用计算机辅助证明，被认为是图论史上的一大突破。

对于平面图的着色，有一种特殊的染色方法叫做四色标号。

四色标号是指对于任意一个平面图，都可以给图中的每个顶点赋予一个自然数，使得相邻的顶点之间的差值不超过3。

这种染色方法保证了相邻的顶点不会被染成相同的颜色，同时最多只需要使用四种颜色。

平面图的着色不仅在图论中有着重要的应用，同时在现实生活中也有很多实际的应用。

比如，考虑地图上的城市，如果我们希望将城市标记成不同的颜色，以表示它们的关系，那么可以利用平面图的着色来实现。

另外，平面图的着色还有很多其他的实际应用，比如在工程规划中用于规划电路的布线、在计算机科学中用于处理图像等等。

总之，离散数学中的图的平面图与平面图的着色是图论中的两个重要概念。

平面图是指在平面上绘制的图形，使得边不会相交；平面图的着色是指对平面图中的顶点进行染色，且相邻的顶点不会被染成相同的颜色。

四色定理是平面图着色的重要结果，它指出任意一个平面图可以使用最多四种颜色进行着色。

平面图的着色在现实生活中有着广泛的应用，是离散数学中的一个重要研究领域。

图的平面图与染色问题在图论中，图的平面图与染色问题是一类常见的研究课题。

图的平面图是指可以在平面上进行绘制而不会产生边的交叉的图，而染色问题则是指给图的顶点赋予不同的颜色，使得任意两个相邻的顶点具有不同的颜色。

本文将探讨图的平面图与染色问题的相关概念、算法和应用。

一、图的平面图图的平面图是指可以在平面上进行绘制而不会产生边的交叉的图。

平面图可以使用点和线的形式进行表示，其中点代表图的顶点，线代表图的边。

一个简单无向图能够成为平面图的条件是它不包含K₅图和K₃，₃图作为子图。

为了更直观地表示一个平面图，可以使用图的嵌入的概念。

图的嵌入是指将图的顶点和边映射到平面上的一种方式，使得边之间不会相互交叉。

在图的嵌入中，每个边都被分配了一个方向，在绘制时需要保证边的方向一致，并且边不相交。

二、染色问题染色问题是在给定的图中为每个顶点赋予一个颜色的问题，使得任意两个相邻的顶点具有不同的颜色。

通常染色问题可以使用图的顶点着色表示，其中每个顶点都被赋予一个颜色。

在染色问题中，可以使用不同的策略来进行顶点的染色。

最简单的策略是贪心算法，即从一个顶点开始，按顺序为每个顶点找到一个未被使用过的颜色进行染色。

然而，对于某些特殊的图，贪心算法可能无法找到最少的颜色数。

为了解决染色问题，还涌现出了许多其他的算法和策略。

其中一种常见的算法是Welsh-Powell算法，该算法按顶点的度数进行排序，然后依次为每个顶点找到一个未被使用过的颜色进行染色。

这种算法通常能够找到比贪心算法更少的颜色数。

染色问题在实际应用中具有广泛的应用。

例如，在地图着色中，地图的不同区域可以用不同的颜色表示，而相邻的区域则需要使用不同的颜色进行区分。

另外，在调度问题中，染色算法可以用于安排任务和资源的分配，以避免冲突。

三、应用举例1. 地图着色假设有一幅地图，地图被划分为若干个区域，每个区域都代表一个顶点，而相邻的区域则由边相连。

为了使得相邻的区域具有不同的颜色，可以使用染色算法对地图进行着色。

数学中的图的着色问题与四色定理数学中的图论是一门研究图及其性质的学科，其中一个重要的问题就是图的着色问题。

图的着色问题是指如何用有限种颜色给图的顶点或边进行染色，使得相邻的顶点或边不具有相同的颜色。

这个问题在实际应用中有着广泛的应用，比如地图着色、时间表的安排等。

在图的着色问题中，最著名的就是四色定理。

四色定理是指任何平面图都可以用四种颜色进行着色，使得相邻的区域不具有相同的颜色。

这个定理在1852年被英国数学家弗朗西斯·格思·韦尔斯顿和威廉·哈姆顿·伯奇证明，被认为是图论中的一个里程碑。

证明四色定理的过程非常复杂，需要运用大量的数学知识和技巧。

其中一个重要的思想就是通过对图进行适当的分割，将大问题转化为小问题，然后逐步解决。

这种分割的方法被称为“规约法”，即将一个复杂的问题规约为一系列简单的子问题。

通过这种方法，韦尔斯顿和伯奇最终证明了四色定理的正确性。

四色定理的证明引起了广泛的关注和讨论。

人们对于这个问题的兴趣不仅在于它的应用价值，更在于它背后的数学原理和思维方式。

四色定理的证明过程中，涉及到了众多的数学概念和定理，如图的平面性、图的连通性、图的染色等。

这些概念和定理的研究不仅推动了图论的发展，也对其他领域的数学研究产生了重要影响。

除了四色定理，图的着色问题还有其他一些重要的结果。

比如，五色定理指出任何平面图都可以用五种颜色进行着色，六色定理指出任何平面图都可以用六种颜色进行着色。

这些定理的证明过程和四色定理类似，都需要运用复杂的数学技巧和方法。

图的着色问题不仅在理论上有着重要的意义，也在实际应用中发挥着重要的作用。

比如，在地图着色中，我们可以用不同的颜色表示不同的国家或地区，以便更好地区分它们。

在时间表的安排中，我们可以用不同的颜色表示不同的活动或任务，以便更好地组织和管理。

这些应用都离不开图的着色问题的研究和应用。

总之，图的着色问题是数学中一个重要且有趣的问题。

图论中的图的着色与染色问题在图论中，图的着色与染色问题是一类经典的问题。

图的着色是指给图的每个顶点赋予一个颜色，要求相邻的顶点不能有相同的颜色；而图的染色是指给图的边赋予一个颜色，要求相邻的边不能有相同的颜色。

一、图的顶点着色图的顶点着色问题是图论中的经典问题之一。

给定一个无向图，要求为每个顶点分配一个颜色，使得任意两个相邻的顶点颜色不同。

这个问题的本质是将相邻的顶点划分到不同的颜色集合中。

解决图的顶点着色问题有多种算法，其中较为简单和常用的是贪心算法。

贪心算法按照某种规则为图的顶点逐个着色，每次着色时选择当前可用颜色的最小编号。

贪心算法的时间复杂度为O(n^2)，其中n 为图的顶点数。

二、图的边染色图的边染色问题是另一个经典的图论问题。

给定一个无向图，要求给每条边分配一个颜色，使得任意两条相邻的边颜色不同。

这个问题的目标是将相邻的边划分到不同的颜色集合中。

解决图的边染色问题的算法有多种，其中常用的是基于回溯法和深度优先搜索的算法。

回溯法通过递归地尝试为每条边分配颜色，并根据约束条件进行回溯，直到找到可行的解或者穷尽所有可能。

深度优先搜索则通过遍历图的边，逐个给边染色，当发现某条边与相邻边颜色相同时，回溯到前一条边重新选择颜色。

三、特殊图的着色与染色问题除了一般的图的着色与染色问题，还存在一些特殊类型的图，对应着特殊的着色与染色问题。

1. 树的着色与染色：在树中，任意两个顶点之间都只有一条路径，因此树的着色与染色问题可以简化为树的边染色问题。

树的边染色问题可以使用贪心算法解决，每次为某条边选择一个未使用的颜色，直到所有边都被染色。

2. 平面图的着色与染色：平面图是指可以画在平面上，且任意两条边最多只有一个公共顶点的图。

平面图的着色与染色问题是在满足平面图约束条件下对图进行着色或染色。

对于平面图的着色与染色问题，使用四色定理可以得到解，即任何平面图最多只需要四种颜色来着色或染色。

四、应用领域图的着色与染色问题在实际应用中具有广泛的应用。

§5.6 平面图与图地着色 习题5.61． 假定一个连通平面图有8个顶点,每个顶点地度数都为3。

请问,这个图地平面嵌入将平面分成多少个面？解 根据条件有8=p ,122/83=⨯=q ,从而根据欧拉定理有62=+-=p q f 。

2．设G 是具有k 个连通分图地)(q p ，平面图地一个平面嵌入,其面数为f ,证明：1+=+-k f g p解 下面用数学归纳法证明如下：（1）1=k 时即为欧拉公式,所以成立。

（2）假设m k ≤时公式成立。

（3）当1+=m 时,将图G 看成两个图1G 与2G 地并,其中1G 为一个连通分图, 2G 为其余m 个连通分图地并,根据上面地假设,对图1G 与2G 有：11111+=+-f q p ,1222+=+-m f q p ,将上两式相加得： 1)1()1()()(212121++=-+++-+m f f q q p p注意到图1G 与2G 共用一个外部面,我们即得1+=+-k f g p 。

3.假定一个)(q p ，图是连通地平面二部图,且p ≥3,则q ≤42-p 。

证;由于二部图中每个回路地长度都是偶数。

当p ≥3时,即每个面地围数至少是4。

据定理,2q ≥4f=4(2-p+q) 从而q ≤42-p 。

4．图5.42地4个图是平面图吗？如果是,给出一个平面嵌入;如果不是,找出与5K 或K 3,3同胚地子图。

图5.42 习题4地图解 图（1）,（2）,（4）改画如下：从而知图（1）,（2）是可平面图,图（4）是5阶完全图5K ,从而是非可平面图。

图（3）也是一个非可平面图,可用库拉托斯基定理证明如下：5．一个简单图地交叉数是指在平面里画这个图且不允许任何三条边在同一点交叉时,各边交叉地最少次数。

求以下非平面图地交叉数：3,3K , 5K , 6K , 7K , 4,3K , 4,4K , 5,5K解：3,3K 地交叉次数是15K 地交叉次数是56K 地交叉次数是107K 地交叉次数是184,3K 地交叉次数是84,4K 地交叉次数是115,5K 地交叉次数是166．下面地算法可以用来为简单图点着色。

图论中的图着色问题算法图着色问题是图论中的一个重要研究课题，它的目标是给定一个无向图，为每个顶点分配一个颜色，使得相邻的顶点拥有不同的颜色。

这个问题有着广泛的应用，例如地图着色、课程时间表安排以及调度等领域。

本文将介绍几种常见的图着色算法。

一、贪心算法贪心算法是解决图着色问题最直接且简便的方法之一。

其基本思想是从图的某个顶点开始，依次为每个顶点选择一个未被使用的最小颜色号。

该算法的具体步骤如下：1. 选择一个起始顶点v，并为其分配一个颜色c。

2. 对于v的所有相邻顶点u，如果u未着色，则为u选择一个未被使用的最小颜色号，并标记u为已着色。

3. 重复步骤2，直到所有顶点都被着色。

贪心算法的时间复杂度为O(n^2)，其中n为顶点数。

该算法的缺点是可能得到的着色方案不是最优解。

二、回溯算法回溯算法是另一种常见的用于解决图着色问题的算法。

其基本思想是通过不断尝试不同的着色方案，直到找到一个满足条件的解。

该算法的具体步骤如下：1. 选择一个起始顶点v，并为其分配一个颜色c。

2. 对于v的所有相邻顶点u，如果u未着色，则为u选择一个未被使用的颜色号，并标记u为已着色。

3. 选择下一个未着色的顶点作为新的起始顶点，重复步骤2。

4. 如果无法为任何顶点着色，则回溯到上一步，修改之前的着色方案，为当前顶点选择一个新的颜色。

5. 重复步骤3和步骤4，直到所有顶点都被着色。

回溯算法的时间复杂度取决于图的结构和颜色数目，一般情况下是指数级的。

该算法可以得到最优解，但在处理大规模问题时效率较低。

三、基于现有算法的改进除了贪心算法和回溯算法外，还存在一些基于这两种算法的改进方法，以提高图着色问题的求解效率。

例如，使用启发式算法、剪枝技术以及约束求解等方法。

启发式算法是一种非确定性的搜索算法，通过引入启发函数来指导搜索过程，以期望更快地找到一个不错的解。

典型的启发式算法包括Tabu搜索、模拟退火算法等。

剪枝技术是在搜索过程中通过判断某些分支的无效性，从而减少搜索空间，提高算法效率。