Minimális összefüggő gráfok, fák

Legyen G egy összefüggő gráf. Mi okozza G összefüggőségét? Rá tudunk-e mutatni egy egyszerű okra, ami G összefüggéségét okozza? Mielőtt megkíséreljük a válaszadást egy egyszerű megjegyzéssel kezdjük:

Megjegyzés: Ha G egy összefüggő gráf és egy új élt adunk hozzá, amely G két csúcsát köti; össze akkor nyilván egy összefüggő gráfot kapunk. (Az összefüggőség egy monoton tulajdonság. Egy gráftulajdonság monotonitását mindenki megpróbálhatja definiálni.)

Ezen megjegyzés után a következőt mondhatjuk: Ha G összefüggő és egy e éle elhagyásával kapott G-e gráf is összefüggő, akkor G összefüggőségének okát kutatva ezt G-e-ben is meg kell találnunk. Ezekután már természetes a következő algoritmus:

Algoritmus: Adott egy G összefüggő gráf. Output: G egy feszítő részgráfja.

Rendezési lépés: Rendezzük sorba G éleit: e1, e2, e3,...

Tesztelő lépések: A fenti rendezés szerint haladjunk végig az összes élen és minden e élnél végezzük el a következőeket. Az aktuális gráfunk legyen A. Ha A-e összefüggő, akkor aktuális gráfunk legyen A-e. Ha A-e nem összefüggő, akkor aktuális gráfunk maradjon meg A-nak.

A tesztelő lépések utáni aktuális gráf az algoritmus outputja.

Lemma: A fenti eljárás az input G gráf egy F feszítő részgráfja, amelyre teljesül, hogy
(i) F összefüggő,
(ii) F bármely e élére F-e nem összefüggő.

A fenti lemma alapján természetes a következő fogalom bevezetése:

Definíció: Egy gráfot fának nevezünk, ha összefüggő és bármely élet elhagyva nem összefüggővé válik.

Megjegyzés: A fa elnevezés alapja ebben a pillanatban nem világos. A későbbiekben ez a név is természetessé válik.

A fentiekből kiolvasható a következő egyszerű állítás.

Lemma: Egy gráf akkor és csak akkor összefüggő, ha van feszítő részgráfja, amely fa.

Bizonyítás: Ha gráfunknak van fa (speciálisan összefüggő) feszítő részgráfja, akkor gráfunk ezen összefüggő gráfból nyerhető élek hozzáadásával, így maga is összefüggő.
Ha gráfunk összefüggő, akkor a fenti algoritmus egy fa feszító részgráfot ad.

Definíció: Egy gráf feszítőfája egy fa feszítő részgráf.

A fentiekből nyilvánvaló, hogy pontosan az összefüggő gráfoknak van feszítőfája és minden összefüggő gráf felfogható, mint egy fa (egy feszítőfája) plusz esetleg további behúzott élek. Ezek után természetes a fák tanulmányozása.


Tétel: Legyen F egy gráf. ekkor a következők ekvivalensek
(i) F fa, azaz összefüggő és bármely élet elhagyva megszűnik összefüggősége (F minimális összefüggő gráf),
(ii) F összefüggő és nincs benne kör,
(iii) F-ben nincs kör, de tetszőleges élt hozzáadva keletkezik kör (F maximális körmentes gráf),
(iv) F bármely két pontja között pontosan egy út létezik.

Bizonyítás: (i)=>(ii) A következő lemmából következik az implikáció:
Lemma: Legyen G egy gráf és e egy C körének egy éle.
(a) Ha G összefüggő, akkor G-e is az,
(a)* V(G)=V(G-e)-n a ~G és ~G-e ugyanaz a reláció (azaz G és G-e komponens struktúrája ugyanaz).

Lemma bizonyítása: Elegendő (a)*-t bizonyítani, ami (a) egy erősítése.
Ha x és y közt nincs séta G-ben, akkor természetesen G-e-ben sincs.
Ha x és y közt van séta G-ben, akkor út is van. Ha ez nem tartalmazza az e élt, akkot ez egy xy séta g-e-ben is. Ha ez tartalmazza e-t (út mivolta miatt pontosan egyszer), akkor sétánk ezen lépését helyettesíthetjük C e-n kívüli ívével. Ez a módosítás egy G-e-beli xy sétához vezet.

(ii)=>(iii)

(iii)=>(iv)

(iv)=>(i)

Feszítőfa: Egy G összefüggő gráf minimális összefüggő feszítő részgráfjai= maximális körmentes feszítő részgráfjai= G feszítőfái.


  • Fák növekedése.
  • Fák éleinek száma.