Степень вершины (теория графов)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Рис. 1. Граф, на вершинах которого отмечены степени.

Степень вершины (англ. degree, также валентность, англ. valency) в теории графов — количество рёбер графа G, инцидентных вершине x. При подсчёте степени ребро-петля учитывается дважды.[1] Степень вершины обозначается как d(x) (в западных источниках — \deg(v)). Максимальная и минимальная степень вершин графа G обозначаются соответственно Δ(G) и δ(G). На рис. 1 максимальная степень равна 5, минимальная — 0. В регулярном графе степени всех вершин одинаковы, поэтому в данном случае можно говорить о степени графа.

Лемма о рукопожатиях[править | править исходный текст]

По формуле суммы степеней для графа G=(V, E),

\sum_{v \in V} \deg(v) = 2|E|\, ,

то есть сумма степеней вершин любого графа равна удвоенному числу его рёбер. Кроме того, формула утверждает, что в любом графе число вершин нечётной степени чётно. Данное утверждение (и сама формула) известны как лемма о рукопожатиях. Название происходит от известной математической задачи: необходимо доказать, что в любой группе число людей, пожавших руку нечётному числу других чётно.

Последовательность степеней вершин[править | править исходный текст]

Рис. 2. Два неизоморфных графа с одинаковой последовательностью степеней (3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1).

Последовательность степеней вершин неориентированного графа является невозрастающей последовательностью.[2] Для графа, изображённого на рис. 1, она имеет вид (5, 3, 3, 2, 2, 1, 0). Последовательность степеней вершин есть инвариант графа, поэтому у изоморфных графов она одинакова. Однако последовательность степеней вершин не является уникальной характеристкой графа: в некоторых случаях неизоморфные графы также обладают одинаковой последовательностью.

Проблема последовательности степеней заключается в нахождении некоторых или всех графов с заданной невозрастающей последовательностью, состоящей из натуральных чисел (нулевые степени при этом могут быть проигнорированы, так как их количество изменяется добавлением или удалением изолированных вершин). Последовательность, являющаяся последовательностью степеней какого-либо графа, называется графической (англ. graphical sequence). Из формулы суммы степеней следует, что любая последовательность с нечётной суммой (как, к примеру, 3, 3, 1) не может быть последовательностью степеней графа. Обратное также верно: если последовательность имеет чётную сумму, она представляет собой последовательность степеней мультиграфа. Построение такого графа осуществляется достаточно простым способом: необходимо объединить вершины нечётных степеней в пары, к оставшимся незаполненными вершинам следует добавить петли.

Сложнее реализовать простой граф с заданной последовательностью. Теорема Эрдёша — Галлаи утверждает, что невозрастающая последовательность di (при i = 1,…,n) может быть последовательностью простого графа только если её сумма чётна и выполняется неравенство

\sum_{i=1}^{k}d_i \leq k(k-1) + \sum_{i=k+1}^n  \min(d_i,k) \quad \ k \in \{1,\dots,n-1\} \, .

Например, последовательность (3, 3, 3, 1) не может являться последовательностью простого графа; она удовлетворяет неравенству Эрдёша — Галлаи только при k равном 1, 2 или 4, но не при k равном 3.

Согласно критерию Гавела-Хакими[3], если невозрастающая последовательность (d1d2, …, dn) это последовательность степеней простого графа, то (d2 − 1, d3 − 1, …, dd1+1 − 1, dd1+2, dd1+3, …, dn) некоторая последовательность степеней простого графа. Этот факт позволяет построить полиномиальный алгоритм нахождения простого графа с заданной реализуемой последовательностью.

Сопоставим исходной последовательности чисел вершины графа без ребер с требуемыми степенями. Указанное преобразование последовательностей задает как минимум одну вершину графа, все инцидентные ей ребра и множество вершин с новыми требуемыми дополнениями степеней. Упорядочивая оставшиеся вершины по невозрастанию дополнений степеней, получим невозрастающую последовательность степеней простого графа. Повторяя преобразование и упорядочение не более n-1 раза, получаем весь граф.

Проблема нахождения или оценки числа графов по заданной последовательности относится к области перечисления графов.

Частные значения[править | править исходный текст]

Рис. 3. Концевыми вершинами являются 4, 5, 6, 7, 10, 11 и 12.
  • Вершина степени 0 называется изолированной.
  • Вершина степени 1 называется концевой (англ. end vertex), висячей (англ. pendant vertex) или листом графа (англ. leaf vertex). Ребро, инцидентное такой вершине называется висячим (англ. terminal (pendant) edge, end-edge). На рис. 3 висячим ребром является {3,5}. Подобная терминология используется в изучении деревьев в общем и как структур данных.
  • Вершина степени n-1 графа порядка n называется доминирующей (англ. dominating vertex).

Общие свойства[править | править исходный текст]

  • Если все вершины графа имеют одинаковую степень k, граф называют k-регулярным или регулярным графом степени k. В этом случае сам граф имеет степень k.
  • Эйлеров путь существует в неориентированном, связном графе если и только если граф имеет 0 или 2 вершины нечётной степени. Если граф содержит 0 вершин нечётной степени, Эйлеров путь является циклом.
  • Орграф является псевдолесом только если полустепень захода каждой вершины не больше 1. Функциональный граф — частный случай псевдолеса, в котором полустепени захода всех вершин равны 1.
  • Согласно теореме Брукса, хроматическое число любого графа за исключением клики или нечётного цикла не превышает максимальной степени его вершин (Δ). Согласно теореме Визинга, хроматический индекс любого графа не превышает Δ + 1.
  • k-вырожденным графом называется граф, в котором каждый подграф имеет вершину степенью не больше k.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Дистель, стр. 5
  2. Дистель, стр. 278
  3. Критерий Гавела — Хакими — статья из WikiGrapp

Источники[править | править исходный текст]