Потоки, связность и комбинаторика
[64/95%]В сети , показанной на рис. 6-11, поток и пропускная способность указаны на дугах. Вершина 1 — исток, а вершина 6 — сток. Если и , покажите, что величина потока равна . Покажите, что не превышает пропускную способность разреза .
Fig. 6-11
Докажите теорему 6.1: если — произвольный допустимый поток в сети с пропускными способностями, и — произвольный разрез сети, то .
Докажите два следствия теоремы 6.1
Следствие 1: величина любого допустимого потока сети также равна потоку, входящему в сток
Следствие 2: если — произвольный допустимый поток, и — произвольный разрез, то .
Докажите теорему 6.2:
если — допустимый поток, и — произвольный разрез, то тогда и только тогда, когда каждая дуга в -насыщена, а каждая дуга в разрезе -нулевая.
если — допустимый поток, и — произвольный разрез, такой что , то — максимальный поток, а — минимальный разрез.
Докажите теорему 6.3: поток в сети с пропускными способностями является максимальным потоком тогда и только тогда, когда в сети нет -увеличивающего пути.
Докажите теорему 6.4 (теорема Форда—Фалкерсона): в сети с пропускными способностями величина максимального потока равна пропускной способности минимального разреза.
Пусть — сеть с пропускными способностями с функцией пропускной способности и начальным допустимым потоком (которым может быть и тривиальный поток). Множество — это , в котором исток — 1, а сток — . Предполагается, что пропускная способность каждой дуги — положительное целое число. Постройте орграф следующим образом. (1) Если — -насыщенная дуга в , то — дуга в . Если — -нулевая дуга в , то также является дугой в . (3) Если — -положительная дуга в , то и , и — дуги в . Покажите, что в сети существует -увеличивающий путь тогда и только тогда, когда в существует ориентированный путь из истока в сток, и покажите, что кратчайший путь исток—сток в имеет ту же длину, что и кратчайший -увеличивающий путь.
Найдите максимальный поток и минимальный разрез в сети, показанной на рис. 6.12(a).
Fig. 6-12b
Найдите максимальный поток и минимальный разрез в сети, показанной на рис. 6-13(a).
Fig. 6-13a
Найдите максимальный поток и минимальный разрез в сети, показанной на рис. 6-14(a).
Докажите теорему 6.5: максимальная величина обобщённого потока исток—сток в сети с пропускными способностями вершин равна пропускной способности минимального обобщённого разреза исток—сток.
Найдите обобщённый максимальный поток и обобщённый минимальный разрез в сети с пропускными способностями вершин, в которой вершина 1 — исток, а вершина 6 — сток, показанной на рис. 6-15(a).
Fig. 6-15b
(Теорема Менгера: вершинная форма для орграфов) Покажите, что максимальное число внутренне непересекающихся путей из вершины в вершину в орграфе, в котором нет дуг из в , равно минимальному числу вершин, удаление которых приводит к орграфу, в котором нет путей из в .
(Теорема Менгера: дуговая форма для орграфов) Покажите, что максимальное число дугонепересекающихся путей из вершины в вершину в орграфе равно минимальному числу дуг, удаление которых приводит к орграфу, в котором нет путей из в .
(Теорема Менгера: вершинная форма для неориентированных графов) Покажите, что максимальное число внутренне непересекающихся путей между любыми двумя несмежными вершинами и в графе равно минимальному числу вершин, удаление которых приводит к графу, в котором нет путей между этими двумя вершинами.
(Теорема Менгера: рёберная форма для неориентированных графов) Покажите, что максимальное число рёбернонепересекающихся путей между двумя вершинами и в графе равно минимальному числу рёбер, удаление которых приводит к графу, в котором нет путей между этими двумя вершинами.
Покажите, что вершинная форма теоремы Менгера влечёт рёберную (дуговую) форму.
Покажите, что между и в графе , изображённом на рис. 6.16(a), существует три рёбернонепересекающихся пути, показав, что между и в рёберном графе графа существует три внутренне непересекающихся пути, где получен расширением , как объяснено в задаче 6.17.
Fig. 6-16
Докажите теорему 6.7: вершинная форма теоремы Менгера, дуговая (рёберная) форма теоремы Менгера и теорема Форда—Фалкерсона эквивалентны.
Покажите, что если простой граф порядка и размера имеет компонент, то .
Найдите минимальное число рёбер, необходимое, чтобы гарантировать связность простого графа.
Найдите минимальное число рёбер в -связном графе.
Приведите пример -связного графа порядка и размера , такого что , когда:
.
Приведите пример -связного графа порядка и размера , такого что .
Если , граф Харари порядка строится следующим образом. вершин располагаются на окружности круга:
Если , соединим каждую вершину с ближайшими вершинами в каждом направлении вдоль окружности.
Если и чётно, соединим каждую вершину с ближайшими вершинами в каждом направлении вдоль окружности, а также с вершиной, диаметрально противоположной ей.
Пусть и нечётно. Сначала строится граф , как в пункте (b). Определим для любого натурального числа и, используя это правило сложения (по модулю), построим дополнительные рёбра, соединив вершину и вершину для .
Найдите размер графа Харари .
Постройте графы Харари для:
;
;
;
.
Покажите, что граф Харари является -связным.
Теорема Бонди утверждает, что если — фиксированное натуральное число, меньшее , и если вектор степеней (в неубывающем порядке) простого графа удовлетворяет неравенству при всех , то граф является -связным.
Используя теорему Бонди, покажите, что простой граф с вектором степеней [ является 2-связным графом.
Докажите теорему 6.9 (теорема Уитни): граф не менее чем с вершинами является -связным тогда и только тогда, когда любые две различные вершины графа соединены по меньшей мере внутренне непересекающимися путями. В частности, граф не менее чем с тремя вершинами является блоком тогда и только тогда, когда каждые две вершины лежат на общем цикле.
Приведите пример -связного графа, в котором число внутренне непересекающихся путей между любой парой вершин равно .
(Характеризация блоков графа по Харари) В связном графе с тремя или более вершинами следующие утверждения эквивалентны: (1) является блоком. (2) Если и — две различные вершины , существует цикл, содержащий обе эти вершины. (3) Если — вершина, а — ребро, существует цикл, содержащий и . (4) Если и — два различных ребра, существует цикл, содержащий оба этих ребра. (5) Если и — две вершины, а — ребро, существует путь между этими двумя вершинами, содержащий ребро . (6) Для любых трёх вершин существует путь между двумя из них, содержащий третью. (7) Для любых трёх вершин существует путь между двумя из них, не содержащий третью.
Пусть — -связный граф, а — граф, полученный из построением новой вершины и соединением её с или более вершинами . Тогда является -связным.
Множество из путей из вершины графа к каждой вершине множества из вершин называется -веером размера , если никакие два пути этого множества не имеют общей вершины, кроме . Покажите, что граф является -связным тогда и только тогда, когда он содержит не менее вершин и для любого выбора вершины и любого выбора вершин (где ) с или более вершинами существует -веер размера , где .
В -связном графе с тремя или более вершинами для любого множества из вершин существует цикл, проходящий через эти вершин. (Обратное неверно. Цикл с вершинами не является -связным при .)
Приведите пример -связного графа, в котором произвольное множество из вершин не обязано лежать на одном цикле графа.
Покажите, что граф порядка является -связным (где ), если степень каждой вершины не менее .
Покажите, что достаточное условие -связности из задачи 6.37 не является необходимым.
Докажите теорему 6.10: граф является -рёберно-связным тогда и только тогда, когда любые две различные вершины в нём соединены по меньшей мере рёбернонепересекающимися путями.
(Теорема Хватала и Эрдёша) Покажите, что граф является гамильтоновым, если , где — его число внутренней устойчивости (независимости).
Пусть — связный граф, и пусть — собственное подмножество . Подграф, порождённый , обозначается , а подграф, порождённый , обозначается . Покажите, что разделяющее множество является разрезом тогда и только тогда, когда оба графа и связны.
Пусть , где , и для каждого пусть — подграф, полученный удалением вершины из . Покажите, что связен тогда и только тогда, когда связны по меньшей мере два из этих подграфов.
Пусть , где , и для каждого пусть — подграф, полученный удалением вершины из . Если каждый является связным графом, содержащим ровно один цикл, что можно сказать о ?
Покажите, что теорема о максимальном потоке и минимальном разрезе влечёт теорему Кёнига.
Проиллюстрируйте теорему Кёнига для двудольного графа на рис. 6-22(a), преобразовав его в ёмкостную сеть, как описано в задаче 6.44.
Покажите, что теорема Менгера влечёт теорему Кёнига.
Покажите, что теорема Кёнига влечёт теорему Холла о свадьбах.
Покажите, что теорема Холла о свадьбах влечёт теорему Кёнига—Эгервари.
Покажите, что теорема Кёнига влечёт теорему Менгера.
Докажите теорему 6.17 (теорема Кёнига о свадьбах): если двудольный граф является -регулярным (где положительно), в нём существует совершенное паросочетание.
Докажите теорему 6.18 (теорема Дилворта): в конечном частично упорядоченном множестве наибольший размер антицепи равен минимальному числу цепей, на которые можно разбить множество элементов этого частично упорядоченного множества.
Докажите теорему 6.19: теорема Дилворта влечёт теорему Холла о свадьбах.
Покажите, что в конечном частично упорядоченном множестве наибольший размер цепи равен минимальному числу непересекающихся антицепей, на которые можно разбить это множество.
Проверьте теорему Мирского для частично упорядоченного множества, представленного на рис. 6-9.
Найдите значение максимального потока и минимальный разрез в сети с шестью вершинами, где вершина 1 — источник, а вершина 6 — сток, со следующей матрицей весов:
Найдите значение максимального потока и минимальный разрез в сети с восемью вершинами, где вершина 1 — источник, а вершина 8 — сток, со следующей матрицей весов:
Найдите значение максимального потока и минимальный разрез в сети с 12 вершинами, где вершина 1 — источник, а вершина 12 — сток, в которой дугами являются , и с весами , и 6 соответственно.
Найдите значение максимального потока и минимальный разрез в сети с семью вершинами, где вершина 1 — источник, а вершина 7 — сток, со следующей матрицей весов:
Найдите значение максимального потока и минимальный разрез в сети с восемью вершинами, где вершина 1 — источник, а вершина 8 — сток, со следующей матрицей весов:
Найдите значение максимального потока и минимальный разрез в сети с 10 вершинами, где вершина 1 — источник, а вершина 10 — сток, в которой дугами являются , и с весами , и 6 соответственно.
Найдите обобщённый минимальный разрез в вершинно-ёмкостной сети с вершинами 1 (источник), (сток) с весами и с дугами и с весами и 4 соответственно.
Проверьте теорему Кёнига и «другую» теорему Кёнига для двудольного графа , где , и .
Постройте бинарную матрицу, соответствующую двудольному графу из задачи 6.62, с пятью строками, соответствующими вершинам , и четырьмя столбцами, соответствующими вершинам , такую что элемент матрицы положителен тогда и только тогда, когда между и существует ребро. Проверьте теорему Кёнига—Эгервари для этой бинарной матрицы.
Покажите, что семейство множеств , где , и , не имеет СПП.