Feladat: N.107 Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Frenkel Péter ,  Gröller Ákos ,  Pap Gyula 
Füzet: 1997/február, 96 - 97. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Hamilton-út, -kör, Teljesgráfok, Nehéz feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1996/május: N.107

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

Megmutatjuk, hogy pontosan a következő gráfok vaktában bejárhatóak: a teljes gráfok, a körök és az ún. teljes páros gráfok közül azok, amelyeknél a csúcsok halmaza két azonos elemszámú részre osztható úgy, hogy két csúcs pontosan akkor van éllel összekötve, ha különböző részbe tartozik. Egyszerűen látható, hogy a felsorolt gráfok valóban vaktában bejárhatóak.
Tegyük fel ezután, hogy G vaktában bejárható gráf, amelynek n4 csúcsa van. Jelölje A1A2...An a gráf tetszőleges (az A1 csúcsból induló) Hamilton-útját. Ha a gráf bejárását az A2 csúcsból kezdjük és az A2A3...An-1 úton eljutunk An-1-be, akkor a vaktában bejárhatóság miatt el kell jutnunk A1-be is, ami azt jelenti, hogy An és A1 is össze van éllel kötve, azaz létezik az A1A2...AnA1 (Hamilton-)kör.
Megmutatjuk, hogy ha G tartalmaz háromszöget, akkor teljes. Jelöljön ABC egy háromszöget, akkor a gráf bejárható egy ABCP4P5...Pn út mentén, és az előbbiek szerint itt Pn és A között is megy él. Ha valamelyik Pi csúcs nincs összekötve pl. B-vel, akkor induljunk el Pi+1-ből a Pi+1Pi+2...PnACP4P5...Pi út mentén. Itt megakadunk, nem tudunk B-be jutni, és ez ellentmondás. Tehát egy háromszög csúcsai a gráf minden csúcsával össze vannak kötve. Legyen X egy tetszőleges csúcsa G-nek; az előbbiek szerint ekkor AXC is háromszög, ezért X minden csúccsal össze van kötve, azaz G teljes.
A következőkben feltehetjük, hogy a gráfban nincs háromszög. Ha a ‐ továbbiakban rögzített ‐ A1A2...AnA1 körön kívül nincsenek további élek G-ben, akkor nincs mit bizonyítanunk; tegyük fel ezért, hogy létezik e kör éleitől különböző él is. Definiáljuk (e kör szerint) az Ai és Aj pontok távolságát a d(Ai,Aj):=min(|i-j|,n-|i-j|) képlettel; egy él hosszán pedig értsük a végpontjainak a távolságát. Tekintsünk egy, az A1A2...AnA1 körhöz nem tartozó olyan élt, amelynek a hossza minimális; feltehető, hogy ez AnAk alakú, alkalmas 3kn2-re. Ekkor az A1,A2,...,Ak-1 pontok között nem vezet a körön kívüli él, hiszen annak hossza az AnAk hosszánál kisebb lenne. Mivel a gráf háromszögmentes, Ak+1 nincs összekötve Ak-1-gyel. Tegyük fel, hogy Ak+1 nincs összekötve A1-gyel sem; ekkor azonban Ak+1 nem lehet összekötve az A1, A2, ..., Ak-1 pontok egyikével sem, hiszen egy ilyen él hossza kisebb lenne, mint AnAk-é. Induljunk el Ak+2-ből az Ak+2Ak+3...AnAkAk+1 út mentén. Iménti következtetésünk szerint innen az A1, A2, ..., Ak-1 csúcsok egyikére sem tudunk továbblépni, ami ellentmondás. Tehát Ak+1 össze van kötve A1-gyel. Ezzel beláttuk, hogy minimális hosszúságú él ,,egy egységgel való elforgatottja'' is (minimális hosszúságú) él, azaz

 
(*) valamennyi AjAj+k is él, minden j-re.
 

Hasonlóan tételezzük fel, hogy Ak+2 nincs összekötve sem A1-gyel sem pedig Ak-1-gyel; (*) szerint ekkor szükségképpen k>3. Így Ak+2 az A1, A2, ..., Ak-1 közül legfeljebb csak az A2-vel lehet összekötve. Akkor viszont az Ak+3Ak+4...AnAkAk+1Ak+2 utat vagy egyáltalán nem, vagy csupán az A2-ig tudjuk folytatni, ott viszont vagy A1 felé továbbhaladva az Ak-1, vagy Ak-1 felé továbbhaladva az A1 pontot kényszerülünk kihagyni; tehát Ak+2 össze van kötve A1-gyel vagy Ak-1-gyel. Az A1-gyel azonban nem lehet összekötve, hiszen akkor Ak+2A1Ak+1 háromszög lenne; így Ak+2 az Ak-1-gyel van összekötve. Ebből következik, hogy a körön kívüli élek hosszának minimuma k=3.
Megmutatjuk, hogy G mindegyik csúcsa össze van kötve A3 és A4 valamelyikével. Ha ugyanis egy Ai ezek egyikével sincs összekötve, akkor az Ai+1Ai+2...AnA1A2A5A6...Ai utat nem tudjuk befejezni.
A háromszögmentesség miatt A6 (az A3 és A4 közül) csak A3-mal lehet összekötve, ezért A7 az A4-gyel, A8 az A3-mal, ... , A2t-1 az A4-gyel, A2t az A3-mal, stb. Ugyanezt azonban (*) szerint elmondhatjuk AnA3 helyett bármelyik minimális hosszúságú AjAj+3 élből kiindulva, és akkor A3 és A4 helyett általában az Aj+3 és Aj+4 csúcsokról mondható el, hogy minden csúcs ezek valamelyikével össze van kötve, éspedig Aj+2t-1 az Aj+4-gyel, Aj+2t pedig az Aj+3-mal. Mivel itt j és t értéke tetszőleges, ez éppen azt jelenti, hogy n páros, és G-ben két csúcs között pontosan akkor megy él, ha indexeik különböző paritásúak.
 Frenkel Péter (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn. III. o.t.)