Feladat: Gy.2905 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Bárász Mihály ,  Braun Gábor ,  Dévényi Csaba ,  Elek Péter ,  Endrődi Csilla ,  Farkas Illés ,  Fekete Zsolt ,  Hegedűs Viktor ,  Izsák Ferenc ,  Kiss Márton ,  Koblinger Egmont ,  Kovács Baldvin ,  Lolbert Tamás ,  Makai Márton ,  Nagy Katalin ,  Németh Zoltán ,  Pap Gyula ,  Pólik Imre ,  Rózsa Gábor ,  Szádeczky-Kardoss Szabolcs ,  Szobonya László ,  Tóth Gábor Zsolt ,  Tóth Péter ,  Valkó Benedek ,  Véber Miklós ,  Vörös Zoltán 
Füzet: 1995/január, 14 - 15. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Gráfok összefüggősége, Fagráfok, erdők, faváz, Szöveges feladatok, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1994/március: Gy.2905

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

Fogalmazzuk át a feladatot a gráfelmélet nyelvére. Rendeljünk a település minden lakójához egy pontot, és az ismerősökhöz tartozó pontpárokat kössük össze éllel. Ekkor a feladat így fogalmazható át: Adott egy 1000 pontú gráf, amelyben bármely két pont között van út, vagyis egymáshoz csatlakozó élek sorozata, amelyek közül az első az egyik pontból indul, az utolsó pedig a másikba érkezik. Ez abból következik, hogy előbb-utóbb mindenki megtud minden hírt; tehát a gráf összefüggő. Bizonyítandó, hogy kiválasztható 90 csúcs úgy, hogy a gráf bármelyik P pontjához létezik ezek között olyan, amelyből vezet P-be legfeljebb 10 hosszúságú út.
Ha a gráfban van kör, azaz olyan út, amelynek kezdő és végpontja megegyezik, de minden él legfeljebb egyszer fordul benne elő, akkor annak bármelyik élét elhagyva, a gráf továbbra is összefüggő marad, éleinek száma pedig csökken. Ezt az eljárást folytatva, mivel összesen véges sok él van, előbb-utóbb olyan összefüggő gráfot kapunk, amelyben nincs kör. Az ilyen gráfokat nevezik fának. Ha az állítás erre igaz, akkor az eredetire is, hiszen amit el lehetett érni 10 hosszúságú úttal, azt az új élek behúzása után is el lehet érni. Feltehetjük tehát, hogy a gráfunk fa.
Vizsgáljuk a gráf egyik leghosszabb olyan útját, amelyben minden él legfeljebb egyszer szerepel (ezeket nevezik egyszerű útnak). (Az élek, s így az egyszerű utak száma is véges, azaz van közöttük leghosszabb, esetleg több is.) Jelölje az egyik leghosszabb egyszerű utat XA1...AkY.
1. eset: ha k19. Ekkor A10 máris megfelel, vagyis belőle mindenhová eljuthatunk legfeljebb 10 hosszúságú úton.
Bizonyítás. Tegyük fel, hogy valamely Z pontra létezik uZ=A10...Z egyszerű út, amely hosszabb, mint 10, azaz hosszabb XA1...A10-nél és A10A11...Y-nál is. Ez az uZ út nem metszhet bele a két utóbbi út mindegyikébe egyszerre. Tegyük fel ugyanis, hogy Ai és Aj is rajta van, ahol i9, j11 és i a legnagyobb, j a legkisebb ilyen index. Ekkor őket uZ is, valamint az AiAi+1...A10Aj út is összeköti, és ezeknek nincs további közös pontjuk, hiszen az uZ út Ai és Aj között már nem metszi az XA1...Y utat, az indexek választása miatt. Vagyis ezt a kettőt egymás után fűzve kört kapnánk, ami ellentmondás. Amennyiben uZ az XA1...A10 szakaszba nem metsz bele, akkor az X...A10...Z út hosszabb az XA1...Y-nál, holott az leghosszabb volt; és hasonlóan ellentmodásra vezet az, ha uZ az A10...Y szakaszba nem metsz bele. Ezzel az 1. esetet beláttuk.
2. eset: ha k20. Ekkor válasszuk ki A10-et, és hagyjuk el mindazokat a csúcsokat, amelyek belőle nem (csak) A11-en keresztül érhetők el (egyszerű úttal). Ezekről később lesz szó. Mivel X, A1, ..., A10 biztos ilyen, így legalább 11 csúcsot elhagytunk. Ekkor egyrészt a megmaradt gráf fa, másrészt az elhagyott pontok A10-ből legfeljebb 10 hosszúságú úton elérhetők.
Bizonyítás. A körmentesség nyilvánvaló. Legyen U, V két megmaradt csúcs, ekkor az őket az eredeti gráfban A10-zel összekötő út A10A11B1...BsU, illetve A10A11C1...CrV alakú. Ezen két út pontjai közül egyet sem hagyhatunk el, hiszen ha lenne valamelyik Bi-be vagy Cj-be A11-et elkerülő út A10-ből, akkor véve a legkisebb indexű ilyet, abba két különböző (közös él nélküli) út vezetne A10-ből, vagyis ismét kört kapnánk, ami lehetetlen. Tehát az UBs...B1A11C1...CrV út megmaradt.
Legyen W egy olyan pont, amely A10-ből elérhető egy nem A11-en át vezető W...A10 úton (is). Ekkor az előzőhöz hasonlóan látszik, hogy W...A10-nek az A10-en kívül nincs közös pontja az A10A11...Y úttal (ugyanis kört kapnánk), azaz W...A10A11...Y hossza nem lehet nagyobb XA1...Y-énál, ami azt jelenti, hogy a W...A10 út hossza legfeljebb 10. Ezzel állításunk mindkét részét igazoltuk.
Innen a bizonyítás már könnyen befejezhető: A megmaradt gráfra ismét végrehajtjuk az eljárást, egymás után legfeljebb 89-szer. Ha bármikor az 1. eset lép föl, készen vagyunk. Ha végig a 2. esettel van dolgunk, akkor a 89. lépés után kiválasztottunk már 89 pontot, és elhagytunk legalább 8911-et, azaz legfeljebb 1000-8911=21 maradt. Erre viszont mindenképpen az 1. eset alkalmazható, ami megadja a 90. pontot.
Ugyanezzel a módszerrel belátható a következő általánosítás is: egy (n+1)(k+1)-1 csúcsú összefüggő gráfban kiválasztható n csúcs úgy, hogy azokból az összes többi elérhető legyen legfeljebb k hosszúságú úton.

 Valkó Benedek (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., III. o.t.) dolgozata alapján