פרק - 7עיונים נוספים בגרפים המילטוניים
מבוא לפרק:
בפרק זה ,נמשיך את הדיון במעגלי ומסילות המילטון .תחילה נגדיר ונכיר משפחה של גרפים
המילטוניים ,הקוביה ה n -מימדית. Qn ,
הגדרה:
יהא nמספר טבעי .הקוביה ה n -מימדית Qn ,מהווה גרף המוגדר באופן הבא:
}} ai ∈ {0,1לכל , V (Qn ) = {(a1 , a2 ,....an ) |1 ≤ i ≤ nושני קודקודים הם שכנים ב Qn -אם ורק אם
הווקטורים ה nמימדים של הקודקודים שלהם זהים פרט לבשיעור אחד.
דוגמה :
הקובייה התלת מימדית ) ,( n = 3מפרק .1
נסמן את הקודקודים בהתאמה על ידי :
קודקוד מספר ייצוג כווקטור תלת מימדי
1
)(1,0,0
פרק - 7עמוד 1
2
)(1,1,0
3
)(1,1,1
4
)(1,0,1
5
)(0,0,0
6
)(0,1,0
7
)(0,1,1
8
)(0,0,1
בדקי ,למשל שהקודקודים 1ו 5-הם שכנים זה לזה .ובכן ,הייצוגים המתאימים (1,0,0) ,ו , (0,0,0) -שונים
זה מזה רק בשיעור הראשון שלהם .כמו כן 1 ,ו 3 -אינם שכנים ,ואכן ,הייצוג הווקטורי של (1,1,1) ,3הוא
שונה מ (1,0,0) -בשני מקומות.
תרגילים:
n
.1הוכיחי. V (Qn ) = 2 :
.2הוכיחי Qn :גרף רגולרי מדרגה . n
טענה 7.1
E (Qn ) = n2 n−1
הוכחה:
ממשפט , 1.1מתקיים:
) ∑ deg v = 2 E (Qn
.מתרגילים , 1,2היות וכל אחד מ 2 nהקודקודים הוא
v∈V
n−1
מערכיות , nמקבלים ) , n.2 n = 2 E (Qnזאת אומרת .■ E (Qn ) = n2
המילטוניות : Qn
נראה איך בונים מעגל המילטוני בקובייה V (Q1 ) = {(0), (1)} .והצלע היחיד בו > ) < (0), (1מהווה
מסילה המילטונית .ניעזר במסילה זו כדי לבנות מעגל המילטוני ב . Q2
פרק - 7עמוד 2
}) . V (Q2 ) = {(0,0), (0,1), (1,1), (1,0נשים לב ששני הקודקודים הראשונים ברשימה של ) , V (Q2דהיינו
) - (0,0), (0,1הם עותקים של קודקודי Q1עם "קידומת" ,0בעוד ששני הקודקודים האחרונים של
) V (Q2מהווים "תמונת ראי" של שנים הראשונים ,אך ה"קידומת 0נהפכה ל .1-בדרך זו ,נוכל
"להעתיק" את המסילה ההמילטונית של Q1פעם למחצית הראשונה של הרשימה של ) , V (Q2פעם
למחצית השנייה של ) , V (Q2ולחבר את שתי החוליות באמצע- ,הרי ) (0,1), (1,1הם שכנים ב . Q2
יתר על כן ,המסילה נסגרת למעגל ,היות ושתי הקצוות (0,0), (1,0) ,שונות רק ב"קידומת".
הענין מודגם באיור הבא ,דרך המעגל ההמילטוני . ABCDA
באותה אופן ,המעגל המילטוני ב Q2ניתן לשימוש ביצירת מעגל המילטוני ב: Q3 -
הנה איך:
.1
.2
.3
.4
חותכים את המעגל במקום כל שהוא על ידי מחיקת צלע וקודקוד קצה .נשארת מסילת
המילטון של . Q2
מוסיפים קידומת 0לכל 4הקודקודים -נוצרה מסילה ביניהם.
כהמשך לאותם 4הקודקודים ,מעתיקים את אותה הסידרה בסדר הפוך ,אלא עם קידומות 1
במקום .0בכך ,מסילה גם מחברת בין 4הקודקודים האחרונים.
נשים לב שכמו המעבר מ Q1 -ל 2 , Q2 -הקודקודים האמצעיים זהים פרט לקידומות שלהם,
והוא הדין ל 2 -קודקודי הקצה .לכן ,נוצר מעגל המילטון מצירופם של 2החוליות יחד באמצע
ובקצוות.
לדוגמה:
נצא מהמעגל המילטון > ) ABCDA- < (0,0), (0,1), (1,1), (1,0), (0,0מהאיור.
.1חותכים אותו על ידי מחיקת הצלע ).(DA) (1,0), (0,0
פרק - 7עמוד 3
.2מהמסילה > ), < (0,0), (0,1), (1,1), (1,0ממשיכים לפי ההוראות בסעיפים 2-4כדי ליצור את
המעגל
> ) , < (0,0,0), (0,0,1), (0,1,1), (0,1,0), (1,1,0), (1,1,1), (1,0,1), (1,0,0), (0,0,0הרי הוא המעגל :
>< 5-8-7-6-2-3-4-1-5באיור הבא של : Q3
משפט 7.2
Q1 .1המילטוני למצחה.
Qn .2המילטוני עבור . n ≥ 2
באינדוקציה על . n = V
את המקרים , n = 1,23כבר הראינו מקודם.
נניח נכונות עבור , Qn -עלינו לבנות מעגל המילטון עבור . Qn+1
תרגיל :המשיכי את ההוכחה!
פרק - 7עמוד 4
נפנה כעת לשאלה הבאה:
ראינו בפרק 6שהגרף השלם מסדר K n , nהוא גרף המילטוני.
השאלה היא :כמה מעגלי המילטון זרים בצלעות )דהיינו ללא צלעות משותפות בין שני מעגלים
⎞⎛n
שונים( קיימים ב . K n -בפרק 6שמנו לב שמעגל המילטון מכיל nצלעות בלבד מבין ⎟⎟ ⎜⎜ הצלעות
⎠⎝2
ב. K n -
⎞⎛n
⎟⎟ ⎜⎜
⎝ 2⎠ = n −1
.
לכן ,מספר המעגלים השונים לא יכול לעלות על
2
n
תרגיל :הוכיחי חסם זה בדרך אחרת :דוני בקודקוד כל שהוא ,בכמה מעגלי המילטון שונים זרים
בצלעות הוא יכול להיות )לכל היותר(?
⎥⎢ n − 1
⎢ ? התשובה
נחזור לשאלה :כמה מעגלי המילטון זרים בצלעות קיימים? האם באמת קיימים
⎦⎥ ⎣ 2
היא חיובית ,כפי שנראה במשפט הבא.
נקדים בהגדרה:
הגדרה:
•
יהא Gגרף .זיווג מושלם ב G -הוא תת גרף של Gהמכיל את כל קודקודיו וכך שאין לשתי
צלעות ב G -קודקוד משותף.
במילים אחרות ,לכל קודקוד של Gיש "בן זוג" אחד ויחיד ,כמו הדוגמה הבאה:
פרק - 7עמוד 5
נשים לב שלגרף Gשרטטנו שלשה זיווגים מושלמים שונים ,ויש עוד.
פרק - 7עמוד 6
משפט 7.3יהא sטבעי .אזי:
K 2 s +1 .1מכיל sמעגלים המילטוניים זרים בצלעות .מעגלים אלה מכסים את כל צלעות
. K 2 s +1
K 2 s .2מכיל s − 1מעגלים המילטוניים זרים בצלעות .מעגלים אלה מכסים את כל צלעות K 2 s
פרט ל sצלעות .צלעות אלו מהוות זיווג מושלם של . K 2 s
דוגמאות :לפנינו דוגמאות של K nעבור . 3 ≤ n ≤ 6
n
Kn
3
3 = 2.1 + 1
s =1
4
4 = 2.2
s=2
מספר מעגלי המילטון
איורים של המעגלים
זיווג מושלם
זרים בצלעות
ABCA
1
_______________
ABCDA
s −1 = 1
ABCDE
5
5 = 2.2 + 1
s=2
2
פרק - 7עמוד 7
של s = 2צלעות{ AC, BD} ,
_______________
ACEBD
, צלעותs = 3 של
ABCDEFA
{ AD, BE,CF}
2
ACEBFDA
8 עמוד- 7 פרק 6 = 2.3
s=3
6
תרגיל :בדקי שהמשפט מבטיח שהחסם מלעיל למספר המעגלים האפשריים של , K nדהיינו
⎥⎢ n − 1
⎢ אכן מתקבל!
⎦⎥ ⎣ 2
הוכחת משפט 7.3סעיף :1
רעיון ההוכחה :בונים מעגל המילטוני "בסיסי" אחד עבור 2s + 1הנקודות באיור הבא .כל אחד מ-
s − 1ה"סיבובים" שלו ,כל פעם בזווית מרכזית של
π
s
,מניב מעגל המילטוני שהוא זר בצלעות לכל
המעגלים הקודמים.
נ סמן את 2s + 1קודקודי K 2 s +1על ידי . v0 , v1,....v2 sנבנה גרף איזומורפי לגרף K 2 s +1באופן הבא:
נמקם את v0במרכז מעגל ,ואת שאר הקודקודים v1 ,....v 2 s +1במרחקים שווים על היקף אותו מעגל
כמודגם באיור) .נזכור ש K 2 s +1מכיל את כל הצלעות בין כל הקודקודים ,אך ,לשם הבהרת האיור ,לא
נראה את כולן(.
פרק - 7עמוד 9
האיור מראה מעגל המילטוני אחד-המעגל > , < v0 , v1 , v 2 s , v 2 , v 2 s −1, ....v s , v s +1 , v0אותו נמסן על ידי C1
)בדקי שנוצר בכך מעגל המילטון( .את מהמעגלים הבאים נקבל מהמעגל C1באופן הבא:
לכל , 1 ≤ i ≤ sהמעגל C iמתקבל מ C1 -על ידי הגדלת כל אינדקס )פרט לאינדקס ( v0על ידי i − 1
מודולו . 2sכך ,למשל ,המעגל C 2מתקבל מ C1 -על ידי הגדלת כל אינדקס )פרט ל ( v0על ידי 1
מודולו , C 2 =< v0 , v 2 , v1 , v3 , v 2 s , ....v s +1 , v s + 2 , v 0 > . 2sוכמו כן,
> , C 3 =< v0 , v3 , v 2 , v 4 , v 2s +1, ....v s +2 , v s +3 , v 0וכו' .
נשים לב:
בכל מעגל , C iסכום האינדקסים של כל שני קודקודים שכנים )פרט ל ( v0חופף או ל 2i -או ל2i − 1-
מודולו . 2s
טענה:
sמעגלי ההמילטון C1 ,...., C sזרים בצלעות.
הוכחת הטענה:
פרק - 7עמוד 10
כי ,נניח בשלילה ,נניח שקיימים שני מעגלי המילטון כאלה Ci , C kבעלי צלע משותפת . va vbאזי ,היות
⎧2i
ו , va vb ∈ Ci -מתקיים )(mod 2s
⎨ ≡ , a + bוהיות ו , va vb ∈ C k -מתקיים
−
2
i
1
⎩
⎧2k
)(mod 2s
⎨ ≡ .a+b
−
2
k
1
⎩
)⎧a + b ≡ 2i(mod 2s
⎨
בכל מקרה נובע )) , 2i ≡ 2k (mod 2sבדקי למה-למשל ,האם ייתכן ) ,(? ⎩a + b ≡ 2k − 1(mod 2sולכן
) , i ≡ k (mod sזאת אומרת ,המעגלים זהים.
לבסוף ,העובדה ש s -המעגלים הזרים בצלעות מכסים את כל , K 2 s +1נובעת מספירה פשוטה!
תרגיל:
הוכיחי :אם קיימים sמעגלי המילטון של K 2 s +1הזרים בצלעות ,אזי הם מכסים את כל . K 2 s +1
הוכחת משפט 7.3סעיף :2
⎞ ⎛ 2s
היות ול⎜⎜ ⎟⎟ K 2 s -
⎠ ⎝2
⎥ ⎞ ⎢ ⎛ 2s
⎥ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎢
צלעות ,עיון בערך השלם של החסם העליון מראה ⎢ ⎝ 2 ⎠ ⎥ = ⎢ 2s(2s − 1) ⎥ = s − 1
⎦⎥
⎣⎢ ⎥ ⎢ 2s
4s
⎢
⎥
⎢⎣
⎥⎦
.מכאן ,אין אפשרות ליותר מ s − 1 -מעגלי המילטון זרים בצלעות ב. K 2 s -
נצביע על s − 1מעגלי המילטון שונים ב , K 2 s -ונראה שאכן הם אכן זרים בצלעות.
בדומה לסעיף א' מקודם ,נסמן את 2sקודקודי K 2 sעל ידי . v1 ,....v 2 sנבנה גרף איזומורפי לגרף K 2 s
באופן הבא:
נמקם את הקודקודים v1 ,....v 2 sבמרחקים שווים על היקף מעגל כמודגם באיור.
פרק - 7עמוד 11
האיור מראה מעגל המילטון אחד-המעגל > , < v1 , v 2 s , v 2 , v 2 s −1, ....v s + 2 v s , v s +1 , v1אותו נמסן על ידי C1
)בדקי שנוצר בכך מעגל המילטון( .את מהמעגלים הבאים נקבל מהמעגל C1באופן הבא :לכל
, 1 ≤ i ≤ s − 1המעגל C iמתקבל מ C1 -על ידי הגדלת כל אינדקס על ידי i − 1מודולו . 2sכך ,למשל,
המעגל C 2מתקבל מ C1 -על ידי הגדלת כל אינדקס על ידי 1מודולו . 2s
> , C 2 =< v 2 , v1 , v3 , v 2 s , ....v s +1 , v s + 2 , v 2וכמו כן , C 3 =< v3 , v 2 , v 4 , v 2 s +1, ....v s + 2 , v s +3 , v3 > ,וכו' .
נשים לב :בכל מעגל , C iסכום האינדקסים של כל שני קודקודים שכנים חופף ל 2i -או ל 2i − 1 -מודולו
. 2s
טענה:
s − 1מעגלי ההמילטון C1 ,...., C s −1זרים בצלעות.
כי ,נניח בשלילה ,נניח שקיימים שני מעגלי המילטון כאלה Ci , C kבעלי צלע משותפת . va vbאזי ,היות
⎧2i
ו , va vb ∈ Ci -מתקיים )(mod 2s
⎨ ≡ , a + bוהיות ו , va vb ∈ C k -מתקיים
⎩2i − 1
⎧2k
)(mod 2s
⎨ ≡ .a+b
⎩2k − 1
בכל מקרה נובע )בדקי למה!!( , 2i ≡ 2k (mod 2s) ,ולכן ) , i ≡ k (mod sזאת אומרת ,המעגלים זהים.
פרק - 7עמוד 12
בכך הוכחנו ש ב s − 1 , K 2 s -מעגלי המילטונין זרים בצלעות.
מספר הצלעות שנותרו הוא ,אם כן:
= s(2s − 1) − 2s( s − 1) = s
)− 2s( s − 1
1
424
3
סךהצלעות במעגלים
⎞ ⎛ 2s
⎟⎟ ⎜⎜
⎠ 2
{⎝
.
מספר הצלעות בגרף השלם
טענה s :הצלעות } , {v1v2 s −2 , v2 v2 s −1 ,......., v s v s −1דהיינו אותם צלעות va vbכך ש
) a + b ≡ 2s − 1(mod sלא נמצאות באף אחד מבין המעגלים . C1 ,...., C s −1
הוכחה :תרגיל!
אם כך s ,הצלעות } {v1v2 s −2 , v2 v2 s −1 ,.......v s v s −1מהווית זיווג מושלם של
■. K 2s
טענה :כל בניה של s − 1מעגלי המילטון זרות בצלעות ב K 2 s -משאיר זיווג מושלם של . K 2 s
הוכחה :תרגיל!
הדרכה :דוני בקודקוד כל שהוא של K 2 sוכן במעגלי המילטון שעוברים דרכו....
פרק - 7עמוד 13
סיכום נושאים ומונחים מפרק :7
•
הקובייה Qn
•
המילטוניות הקובייה Qn
•
זיווג מושלם
•
מספר המעגלים ההמילטוניים הזרים בצלעות בK n -
פרק - 7עמוד 14
© Copyright 2025