图论定理证明(1)

定理内容

对于任意 N≥2N \ge 2N2 个两两相交的环,存在一条边被所有这些 NNN 个环覆盖。

证明

定义一个命题映射 P(N)P(N)P(N) 为 “对于任意 NNN 个两两都相交的环,存在一条边被所有这些 NNN 个环覆盖。”其中 N≥2N \ge 2N2

引理1: 一个环或者 NNN 个两两都相交的环构成一张强连通图。其中 N≥2N \ge 2N2

引理2
1、对于一个强连通图中的两条边 u,vu,vu,v,存在一条包含这两条边的路径使得 为起始边, 为终末边;
2、对于一个边数 ≥3\ge 33 的强连通图中的三条边 u,v,wu,v,wu,v,w,存在一条包含这三条边的路径使得 uuu 为起始边,vvv 为终末边。

以上两个引理相对都是 trivial 的,所以这里略去证明。

引理3: 若 P(N)P(N)P(N) 成立,P(N+1)P(N+1)P(N+1)也成立。

引理3证明

设这 N+1N+1N+1 个环分别为 R(1)、R(2)...R(N)R(1)、R(2) ... R(N)R(1)R(2)...R(N),因为 P(N)P(N)P(N)成立,我们可设边 aaa 为被这 NNN 个环都覆盖的边。

假设 P(N+1)P(N+1)P(N+1) 不成立,那么。而由于 R(N+1)R(N+1)R(N+1) 要与前 NNN 个环都相交,必然存在两条边 u,vu,vu,v 满足 u,v∈R(N+1)u,v \in R(N+1)u,vR(N+1)u,vu,vu,v 属于前 NNN 个环的并集。
根据引理2我们可以找到一条路径 DDD 包含 u,v,au,v,au,v,a 且以 uuu 为起始边,vvv 为终末边。

而因为 u,v∈R(N+1)u,v \in R(N+1)u,vR(N+1)R(N+1)R(N+1)R(N+1) 为强联通图,所以我们可以找到一条路径 D′D'Dvvv 为起始边,uuu 为终末边。路径 D′D'DDDD 构成一个环不妨设为 RRR

由于 RRR 中包含 R(N+1)R(N+1)R(N+1) 的边,所以 RRRR(1)、R(2)...R(N)R(1)、R(2)...R(N)R(1)R(2)...R(N) 都是相异的,又因为 a∈Ra \in RaR,所以 RRRR(N+1)R(N+1)R(N+1) 是相异的。所以此时图中存在 N+2N+2N+2 个环,与题设矛盾。
因此假设不成立,引理3得证。

而我们知道 P(2)P(2)P(2) 是显然成立的,因此原命题得证。

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