全网首个严格证明的双连通图的基本性质

双连通图的性质和证明

性质

首先讨论边双, 任选两点 (u), (v), 一条边 (e), 一定能找到至少一条简单路径 (不经过同一条边两次), 经过 (e) 连接 (u), (v).

然后讨论点双, 任选三点 (u), (v), (w), 一定能找到至少一条简单路径 (不经过同一个点两次), 经过 (w) 连接 (u), (v).

边双连通

说明: 在边双图的讨论中, 两条路径不相交指这两条路径不存在公共边.

对于边双的性质, 可以转化为找两条不相交的, 不经过 (e) 的路径, 使得对于 (e) 的两个端点 (e1), (e2), 连接 (e1)(v), (e2)(u), 或者是连接 (e1)(u), (e2)(v).

我们知道定义: 边双图任意两点间至少可以找到两条互不相交的路径.

因为路径在连通图一定能找到, 我们需要保证的是这些路径不交. 首先我们可以避免 (e), 因为如果有一条 (u)(e1) 的路径经过了 (e), 我们可以选择将这条路径去掉 (e), 使其变成 (u)(e2) 的路径, 如果这时 (v)(e1) 的一条路径也经过 (e), 我们可以直接选择 (v)(e1) 的另一条路径, 根据定义, 可以找到对应路径使得它和上一条路径不相交, 这样就不会有公共边 (e) 了.

一定存在简单环 (u/v - e1 - e2)

这是最坏的情况, 因为其它情况会存在两条不经过 (e) 的路径, 这样可以构造一条 (u - e2) 的路径, 它和一条不经过 (e) 的简单路径 (u - e1 - e) 构成一个简单环.

证明这个结论, 我们讨论随便找一条 (u - e2) 的路径, 如果包含 (e), 则找另一条, 这时得到的路径可能和 (u - e1) 的路径有交, 将两条路径的公共部分 (u - x) 记为 (UX1), 将剩下的部分记为 (XE1)(XE2), 这三部分无交.

(u)(x) 的另一条路径记为 (UX2), 假设路径上从 (u) 出发沿 (UX2) 经过的第一条 (XE1/XE2) 的公共边的靠近 (u) 的端点为 (a), 则记 (UX2)(u - a) 段为 (UA), (a - e1/e2) 段为 (AE1/AE2), 这时找到简单环 (UX1 - XE1/XE2 - e - AE2/AE1 - UA).

(v) 也有同样的结论.

所以我们现在记两个简单环中, 经过 (e) 的, 连接 (u/v - e1/e2) 路径为 (UE1/UE2/VE1/VE2), 因为是简单环, 所以 (UE1)(UE2) 无交, (VE1)(VE2) 无交, 他们都和 (e) 无交.

存在 (UE1)(VE2) 无交或 (UE2)(VE1) 无交

则直接找到可行路径 (UE1 - e - VE2)(UE2 - e - VE1).

仅满足 (UE1)(VE1) 无交 (省略讨论 (UE2)(VE2) 无交仍不失一般性)

(UE1)(VE2) 的靠近 (u) 的交边的靠近 (u) 的交点是 (a), 记 (UE1)(a - u) 段为 (AU), (VE2)(a - e2) 段位 (AE2).

因为 (UE1)(VE1) 无交, 所以 (AU)(VE1) 无交.

因为 (VE2)(VE1) 无交, 所以 (AE2)(VE1) 无交.

因为 (AU)(AE2)(a) 分开, 且 (UE1)(AU) 段和 (VE2) 无交, 所以 (AU)(AE2) 无交.

因为 (VE2)(UE1) 都不包含 (e), 所以 (AU)(AE2) 都和 (e) 无交.

又因为 (e)(VE1) 无交, 找到合法路径 (AU - AE2 - e - VE1).

(UE1)(VE1), (VE2) 有交, (UE2) 也和 (VE1)(VE2) 有交

设从 (u) 出发, (UE1)(VE2)(VE1) 第一次相交的交边的靠近 (u) 的端点为 (b).

如果 (UE1) 第一次是和 (VE2) 相交, 则直接将 (b) 当成 (a), 按仅 (UE1)(VE1) 无交的情况讨论即可. 接下来只讨论第一次相交是和 (VE1) 的情况.

(UE1)(u - b) 段为 (BU), (VE1)(b - e1) 段为 (BE1) 则.

因为从 (u) 出发, (VE2)(UE1) 第一次相交在 (b) 之后, 所以 (VE2)(BU) 无交.

因为从 (u) 出发, (VE1)(UE1) 第一次相交在 (b), 所以 (BE1)(BU) 无交.

因为 (VE1)(VE2) 无交, 所以 (VE2)(BE1) 无交.

因为 (UE1), (VE1) 都和 (e) 无交, 所以 (BU), (BE1) 都和 (e) 无交.

因为 (e)(VE2) 无交, 则找到合法路径 (BU - BE1 - e - VE2).

点双连通

因为不能找出三个点, 所以我们不讨论两个点的点双图这种特殊情况.

说明: 在点双图的讨论中, 两条路径不相交指这两条路径不存在除端点以外的公共点.

首先找到任意路径连接 (u - w)(v - w), 这时如果两条路径无交, 则性质成立. 如果有交, 一定可以找一个 (x) 点, 使得两条路径在 (w - x) 处相交, 我们把这条路径记为 (WX1), 且存在一条 (u - x - v) 的简单路径, 我们把这条简单路径中, (u - x) 段记为 (UX1), (v - x) 段记为 (VX1).

然后讨论 (WX1) 的情况, 因为我们可以找到至少两条 (w - x) 的不相交简单路径, 所以最多有一条路径是一条边连接两个点组成的, 如果存在这种路径, 我们把它记为 (WX1), 因为不存在除 (w), (x) 外的任何点, 所以它一定和 (VX1)(UX1) 无交, 不影响我们在前面对 (WX1) 记号的定义. 另一条路径记为 (WX2), 则 (WX2) 一定包含至少一个除了 (w)(x) 的点.

(WX2)(UX1) 有交

则设距离 (u) 最近的交点为 (a), 则 (UX1)(u - a) 段记为 (UA), 取 (WX2)(w - a) 段记作 (WA).

(WA)(VX1) 有交

设距离 (v) 最近的交点为 (b), 记 (v - b) 段为 (VB), (w - b) 段为 (WB).
如果 (VB)(WB) 有交, 则直接取交点为 (b), 所以一定有 (VB)(WB) 无交.
如果 (UX1)(WB) 有交, 则直接取交点为 (a), 转化为 (WA)(VX1) 无交的情况.
因为 (WX2)(WX1) 无交, 则 (WX1)(WB) 无交.
因为 (UX1)(VX1) 无交, 所以 (VB)(UX1) 无交.
因为 (WX1)(VX1) 无交, 所以 (VB)(WX1) 无交.
又因为 (WX1)(UX1) 无交, 所以找到一条合法路径 (VB - WB - WX1 - UX1).

(WA)(VX1) 无交

如果 (UA)(WA) 有交, 直接取交点作为 (a), 则存在 (UA)(WA) 无交.
因为 (WX2)(WX1) 无交, 则 (WX1)(WA) 无交.
因为 (UX1)(WX1) 无交, 所以 (UA)(WX1) 无交.
因为 (UX1)(VX1) 无交, 所以 (UA)(VX1) 无交.
又因为 (WA)(VX1) 无交, (WX1)(VX1) 无交, 所以找到一条合法路径, (UA - WA - WX1 - VX1).

(WX2)(UX1) 无交

假设找一条 (v)(WX2) 上除 (x) 点之外的点 (a) 的简单路径 (VA), 使得这条路径和已有的 (VX1 - a) 无交, 因为两点间有至少两条无交简单路径, 所以一定能找到一个 (VA) 满足要求.

(VA)(UX1) 有交

设最靠近 (u) 的交点为 (d), 记 (UX1)(u - d) 段为 (UD), (VA)(d - a) 段为 (DA).
如果 (DA)(WX1) 有交, 取交点为 (c), 则转化为 (VA)(UX1) 无交, 却和 (WX1) 有交的情况. 因此这里只讨论 (DA)(WX1) 无交的情况.
如果 (DA)(WA) 有交, 则直接取交点为 (a), 所以一定存在 (DA)(WA) 无交.
如果 (DA)(UD) 有交, 则直接取交点为 (d), 所以一定存在 (DA)(UD) 无交.
如果 (WX2)(VX1) 有交, 则转化为 (WX2)(UX1) 有交的对称问题, 交换对象 (U), (V), 按 (WX2)(UX1) 讨论即可. 故本情况只讨论 (WX2)(VX1) 无交的情况.
因为 (WX2)(WX1) 无交, 所以 (WX1)(WA) 无交.
因为 (WX2)(VX1) 无交, 所以 (WA)(VX1) 无交.
因为 (WX2)(UX1) 无交, 所以 (WA)(UD) 无交.
因为 (WX1)(UX1) 无交, 所以 (WX1)(UD) 无交.
因为 (VX1)(UX1) 无交, 所以 (VX1)(UD) 无交.
因为 (VA)(VX1) 无交, 所以 (DA)(VX1) 无交.
又因为, (WX2)(UX1) 无交, 所以找到合法路径 (UD - DA - WA - WX1 - VX1).

(VA)(UX1) 无交

(VA)(WX1) 有交

设离 (x) 最近的交点为 (c), 记 (VA)(v - c) 段为 (VC), (WX1)(w - c) 段记 (WC).

  • (VC)(WX2) 有交

    直接取交点为 (a) 点, 转化为 (VA)(WX1) 无交的情况.

  • (VC)(WX2) 无交

    • (VC)(WC) 有交

      记最靠近 (w) 的交点为 (d), 记 (WC)(w - d) 段为 (WD), (VC)(v - d) 段为 (VD), 则 (VD)(WD) 不可能有交, 否则重新将新的交点记作 (d).
      因为 (WX1)(WX2) 无交, 所以 (WD)(WX2) 无交.
      因为 (VC)(WX2) 无交, 所以 (VD)(WX2) 无交.
      因为 (VA)(UX1) 无交, 所以 (VD)(UX1) 无交.
      因为 (WX1)(UX1) 无交, 所以 (WD)(UX1) 无交.
      又因为 (WX2)(UX1) 无交, 所以找到合法路径: (VD - WD - WX2 - UX1).

    • (VC)(WC) 无交

      因为 (VA)(UX1) 无交, 所以 (VC)(UX1) 无交.
      因为 (WX1)(UX1) 无交, 所以 (WC)(UX1) 无交.
      因为 (WX1)(WX2) 无交, 所以 (WC)(WX2) 无交.
      又因为 (VC)(WX2) 无交, (WX2)(UX1) 无交, (VC)(WC) 无交, 所以找到合法路径: (VC - WC - WX2 - UX1).

(VA)(WX1) 无交

如果 (VA)(WA) 有交, 则直接取交点为 (a), 所以一定存在 (VA)(WA) 无交.

因为 (WX1)(WX2) 无交, 所以 (WA)(WX1) 无交.
因为 (WX2)(UX1) 无交, 所以 (WA)(UX1) 无交.
又因为 (VA)(WX1) 无交, (VA)(UX1) 无交, (WX1)(UX1) 无交, 所以找到合法路径: (VA - WA - WX1 - UX1).

原文地址:https://www.cnblogs.com/Wild-Donkey/p/15329224.html