Feladat: Gy.2609 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Harcos Gergely ,  Veres Gábor 
Füzet: 1991/március, 103 - 105. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Gráfok összefüggősége, Algoritmikus eljárások, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1990/február: Gy.2609

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Megoldás. Írjuk először a feladatban szereplő konvex poliéder minden élére a +1 számot, és nevezzük a poliéder tetszőleges csúcsát +1-csúcsnak vagy -1-csúcsnak aszerint, hogy az oda befutó élekre írt számok szorzata +1 vagy -1. Egyelőre tehát a poliéder minden csúcsa +1-csúcs, és azt kell belátnunk, hogy az élek megszámozhatók a +1 és a -1 számokkal úgy, hogy mindegyik csúcs -1-csúcs legyen. Nyilván elegendő megadnunk egy olyan algoritmust, amely ‐ feltéve, hogy van legalább 2 darab +1 csúcs - pontosan 2-vel növeli a -1-csúcsok számát azáltal, hogy néhány élnél az ellentettjére változtatja a ráírt számot. Ha ui. ezt az algoritmust egymás után 50-szer alkalmazzuk, akkor lépésenként rendre 2,4,6,...,100 lesz a -1-csúcsok száma, tehát végül valamennyi csúcs -1-csúcs lesz.
Az algoritmus a következő. Tegyük fel, hogy konvex poliéderünknek van 2 darab +1-csúcsa, legyenek ezek P és Q. Ekkor ‐ mivel konvex poliéderről van szó -P és Q összeköthető a poliéder éleiből álló T töröttvonallal. Ha T-n keresztül P-ből kiindulva elmegyünk Q-ba, akkor feltehetjük, hogy utunk során semelyik csúcsot sem érintettük kétszer, hiszen ilyen esetben T tartalmaz olyan zárt töröttvonalat, amelyet T-ből elhagyva egy kevesebb élből álló T' töröttvonalhoz jutunk, márpedig ez az eljárás csak véges sokszor ismételhető meg, hiszen a T-beli élek száma véges (1. ábra).

 
 

1.a) ábra: T, amely tartalmaz ,,kétszeres'' R csúcsot
 

 
 

1.b) ábra: T', amely T-ből egy zárt töröttvonal elhagyásával keletkezett
 

Feltevésünk szerint tehát a T töröttvonalban a P és Q pontokhoz pontosan 11 él csatlakozik, a belső töréspontokhoz pedig pontosan 2. Változtassuk most az ellentettjére a T-beli élekre írt számokat (2. ábra).
 
 

2.a) ábra: T az algoritmus alkalmazása előtt (P és Q+1 csúcsok)
 

 
 

2.b) ábra: T az algoritmus alkalmazása után (P és Q-1 csúcsok)
 

Ekkor a P és a Q csúcsok esetében pontosan a (-1)-szeresére, a belső töréspontok esetében pedig a (-1)2-szeresére változik az oda befutó élekre írt számok szorzata. Az algoritmus nyilván nem befolyásolja a T-hez nem tartozó csúcsokba futó élekre írt számokat, tehát valóban pontosan kettővel -P-vel és Q-val ‐ növeli a -1-csúcsok számát.
Akkor is érvényes a meggondolás, ha a P-ből Q-ba vezető töröttvonal egyes belső töréspontjai már egy korábbi lépésben (-1)-csúccsá változtak.
 

Megjegyzés. Bizonyításunk közben a feladatbeli poliéder konvex voltából csak annyit használtunk fel, hogy a poliéder élhálózata összefüggő, azaz bármely két csúcsa összeköthető élekből álló töröttvonallal. Mivel ez az egyszerű poliéderekre is fennáll (lásd Hajós György: Bevezetés a geometriába, Tankönyvkiadó, Bp. 1987. 26‐28. oldal), továbbá a csúcsok számának (100) helyett akármilyen más (4-nél nem kisebb) páros számot is tekinthettünk volna, ezért igaz a feladat következő általánosítása: Egy páros csúcsszámú egyszerű poliéder élei megszámozhatók a +1 és a -1 számokkal úgy, hogy minden egyes csúcsra teljesül, hogy az oda befutó élekre írt számok szorzata -1.
Ha nem törekszünk arra, hogy minden egyes csúcs esetében -1 legyen az oda befutó élekre írt számok szorzata (tehát, hogy minden egyes csúcs -1-csúcs legyen), akkor tetszőleges egyszerű poliéderre kiterjeszthetjük az általánosítást: Ha egy egyszerű poliéder éleinek száma e, akkor bármely páros 0fe számra megszámozhatók a poliéder élei a +1 és a -1 számokkal úgy, hogy pontosan f legyen a -1-csúcsok száma (ebben az esetben az algoritmust f/2-ször kell egymás után alkalmaznunk a megoldáshoz hasonló kiindulási helyzet után).
Rögtön felvetődik a kérdés, hogy ‐ az előző jelöléseket használva ‐ tetszőleges egyszerű poliéder esetében van-e olyan páratlan 0fe szám, amelyre megszámozhatók a poliéder élei a +1 és a -1 számokkal úgy, hogy pontosan f legyen a -1-csúcsok száma. Könnyen észrevehetjük, hogy nincs ilyen f szám, ha ui. lenne, akkor sorra összeszorozva az egyes csúcsoknál az oda befutó élekre írt számok szorzatát, egyrészt -1-et kellene kapnunk, hiszen páratlan számú -1-csúcsunk van (f db), másrészt +1-et, mert a szorzás során minden egyes élre írt szám pontosan kétszer szerepelt tényezőként, és (+1)2-ek ill. (-1)2-ek szorzata valóban +1. Az eddigiek alapján tehát egy e élű egyszerű poliéder esetében pontosan a páros 0fe számokra létezik olyan számozás, amelynél pontosan f db -1-csúcs (ill. e-f darab +1-csúcs) van.
 

 Harcos Gergely (Bp., ELTE Apáczai Csere J. Gimn., III. o. t.)