《图论及其应用》课程教学课件（PPT讲稿）第六章 平面图 6-2 特殊平面图与平面图的对偶图

本次课主要内容 特殊平面图与平面图的对偶图 (一)、一些特殊平面图 1、极大平面图及其性质 2、极大外平面图及其性质 (二)、平面图的对偶图

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 1 本次课主要内容 (一)、一些特殊平面图 (二)、平面图的对偶图 特殊平面图与平面图的对偶图 1、极大平面图及其性质 2、极大外平面图及其性质

(一)、一些特殊平面图 1、极大平面图及其性质 对于一个简单平面图来说，在不邻接顶点对间加边， 当边数增加到一定数量时，就会变成非平面图。这样， 就启发我们研究平面图的极图问题。 定义1设G是简单可平面图，如果G是K(1≤i≤4)，或 者在G的任意非邻接顶点间添加一条边后，得到的图均是 非可平面图，则称G是极大可平面图。 极大可平面图的平面嵌入称为极大平面图

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 2 1、极大平面图及其性质 (一)、一些特殊平面图 对于一个简单平面图来说，在不邻接顶点对间加边， 当边数增加到一定数量时，就会变成非平面图。这样， 就启发我们研究平面图的极图问题。 定义1 设G是简单可平面图，如果G是Ki (1≦i≦4),或 者在G的任意非邻接顶点间添加一条边后，得到的图均是 非可平面图，则称G是极大可平面图。 极大可平面图的平面嵌入称为极大平面图

极大平面 非极大平 面图 极大平面 图 注：只有在单图前提下才能定义极大平面图。 引理设G是极大平面图，则G必然连通；若G的阶数大 于等于3，则G无割边。 (1)先证明G连通。 若不然，G至少两个连通分支。设G1与G2是G的任意两 个连通分支

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 3 注：只有在单图前提下才能定义极大平面图。 引理 设G是极大平面图，则G必然连通；若G的阶数大 于等于3，则G无割边。 极大平面 图 非极大平 面图 极大平面 图 (1) 先证明G连通。 若不然，G至少两个连通分支。设G1与G2是G的任意两 个连通分支

把G画在G2的外部面上，并在G1,G2上分别取一点u与v. 连接u与v得到一个新平面图G*。但这与G是极大平面图相 矛盾。 (2)当G的阶数n≥3时，我们证明G中没有割边。 若不然，设G中有割边euv,则G-uv不连通，恰有两 个连通分支G1与G2

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 4 把G1画在G2的外部面上，并在G1,G2上分别取一点u与v. 连接u与v得到一个新平面图G *。但这与G是极大平面图相 矛盾。 (2) 当G的阶数n≥3时，我们证明G中没有割边。 若不然，设G中有割边e=uv，则G-uv不连通，恰有两 个连通分支G1与G2。 v u e G1 G2 G f

设u在G,中，而v在G,中。由于n≥3，所以，至少有一 个分支包含两个以上的顶点。设G,至少含有两个顶点。 又设G,中含有点u的面是f,将G2画在f内。 由于G是单图，所以，在G,的外部面上存在不等于点 v的点t。现在，在G中连接点u与得新平面图G,它比G 多一条边。这与G的极大性相矛盾

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 5 设u在G1中，而v在G2中。由于n≥3, 所以，至少有一 个分支包含两个以上的顶点。设G2至少含有两个顶点。 又设G1中含有点u的面是f , 将G2画在 f 内。 由于G是单图，所以，在G2的外部面上存在不等于点 v的点t。现在，在G中连接点u与t得新平面图G* ,它比G 多一条边。这与G的极大性相矛盾。 v u e G1 G2 G

下面证明极大平面图的一个重要性质。 定理1设G是至少有3个顶点的平面图，则G是极大平 面图，当且仅当G的每个面的次数是3且为单图。 注：该定理可以简单记为是“极大平面图的三角形特 征”，即每个面的边界是三角形。 证明：“必要性” 由引理知，G是单图、G无割边。于是G的每个面的 次数至少是3。 假设G中某个面的次数大于等于4。记的边界是 V1V2VV4Vk。如下图所示

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 6 下面证明极大平面图的一个重要性质。 定理1 设G是至少有3个顶点的平面图，则G是极大平 面图，当且仅当G的每个面的次数是3且为单图。 注：该定理可以简单记为是“极大平面图的三角形特 征”，即每个面的边界是三角形。 证明：“必要性” 由引理知，G是单图、G无割边。于是G的每个面的 次数至少是3。 假设G中某个面f的次数大于等于4。记f的边界是 v1v2v3v4.vk。如下图所示

如果v,与v不邻接，则连接vV3,没有破坏G的平面性， 这与G是极大平面图矛盾。所以vV必须邻接，但必须在 f外连线；同理v,与v4也必须在外连线。但边y13与边 v2Y在f外交叉，与G是平面图矛盾！ 所以，G的每个面次数一定是3. 定理的充分性是显然的

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 7 如果v1与v3不邻接，则连接v1v3，没有破坏G的平面性， 这与G是极大平面图矛盾。所以v1v3必须邻接，但必须在 f 外连线；同理v2与v4也必须在f外连线。但边v1v3与边 v2v4在 f 外交叉，与G是平面图矛盾！ 所以，G的每个面次数一定是3. 定理的充分性是显然的。 v1 v2 v3 v4 v5 vk f

推论：设G是个点，m条边和个面的极大平面图， 且n≥3.则：(1)m=3n-6;(2)=2n<4. 证明：因为G是极大平面图，所以，每个面的次数为3. 由次数公式： 2m= deg(f)=3 f∈Φ 由欧拉公式： o=2-n+m 所以得： m=2-n+m

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 8 推论：设G是n个点，m条边和ф个面的极大平面图， 且n≥3.则：(1) m=3n-6; (2) ф=2n-4. 证明：因为G是极大平面图，所以，每个面的次数为3. 由次数公式： 2 deg( ) 3 f m f   = =  由欧拉公式：  = − + 2 n m 所以得： 2 2 3 m n m = − +

所以得： m=3n-6 又 m=n+0-2 所以： =2n-4 注：顶点数相同的极大平面图并不唯一。例如： 正20面体 非正20面体

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 9 所以得： m n = − 3 6 又 m n = + −  2 所以：  = − 2 4 n 注：顶点数相同的极大平面图并不唯一。例如： 正20面体 非正20面体

还在研究中的问题是：顶点数相同的极大平面图的个 数和结构问题。 与极大平面图相对应的图是极小不可平面图。 2、极大外平面图及其性质 定义2若一个可平面图G存在一种平面嵌入，使得其所 有顶点均在某个面的边界上，称该图为外可平面图。外可 平面图的一种外平面嵌入，称为外平面图。 外可平面图 外平面图1 外平面图2

0.8 1 0.6 0.4 0.2 0 x t 0 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0 0.5 1 n 10 还在研究中的问题是：顶点数相同的极大平面图的个 数和结构问题。 2、极大外平面图及其性质 与极大平面图相对应的图是极小不可平面图。 定义2 若一个可平面图G存在一种平面嵌入，使得其所 有顶点均在某个面的边界上，称该图为外可平面图。外可 平面图的一种外平面嵌入，称为外平面图。 外可平面图 外平面图1 f 外平面图2 f