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定理証明済み

クラトフスキーの定理

内容

有限グラフが平面的であるための必要十分条件は、それが K5K_5(5頂点の完全グラフ)または K3,3K_{3,3}(3+33+3 頂点の完全二部グラフ)の細分である部分グラフを含まないことである。

なぜ正しいのか?

平面性の破綻はすべて、二つの最小限のもつれ——互いにすべて結ばれた5頂点(K5K_5)、あるいは三つの供給源と三つの家を結ぶグラフ(K3,3K_{3,3})——のいずれかが、辺の途中に次数2の頂点を挿入した形で隠れていることに帰着する。この二つの最小非平面コアのどちらもグラフの中に潜んでいなければ、グラフは必ず平面上に交差なく描くことができる。

証明の概略

K5K_5 と K3,3K_{3,3}(したがってそれらの細分)が非平面的であることは、オイラーの公式 V−E+F=2V - E + F = 2 から従う:V≥3V \ge 3 頂点の平面グラフは E≤3V−6E \le 3V - 6 を満たし(V=5,E=10V=5, E=10 の K5K_5 を除外)、三角形を含まなければ E≤2V−4E \le 2V - 4 を満たす(二部グラフで V=6,E=9V=6, E=9 の K3,3K_{3,3} を除外)。逆方向については、極小な非平面反例 GG をとり、それが3連結であることを示し、辺 e={u,v}e = \{u,v\} を縮約または削除して、G−eG - e の平面埋め込みの面の周りの道が ee を交差なく配置することをどう妨げるかを解析すると、K5K_5 または K3,3K_{3,3} の細分が現れざるを得ないことが分かる。

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参考文献

  1. Casimir Kuratowski (1930). Sur le problème des courbes gauches en Topologie