图的广义连通度若干问题的研究

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图论的基本概念之一,图G的连通度,被定义为满足G Q是不连通的或平凡的G的顶点子集Q的最小基数。Whitney的一个著名定理提供了连通度的一个等价定义。对V(G)的每个2元子集S={u,v},令κ(S)表示在G中内部不交uv-路的最大数目。那么κ(G)=min{κ(S)},其中最小值是通过取遍V (G)的所有2元子集S得到的。Chartrand等人推广了连通度的概念。令G是一个顶点数为n的非平凡连通图,且令k是一个满足2≤k≤n的整数。对包含G的k个顶点的集合S,令κ(S)表示在G中边不交的树T1,T2,...,T的最大数目,其中对每一对不同的整数i, j(1≤i, j≤)都满足V(Ti)∩V (Tj)=S。那么G的k-连通度,用κk(G)表示,被定义为κk(G)=min{κ(S)},其中最小值是通过取遍V (G)的所有k元子集S得到的。于是有κ2(G)=κ(G)。此外κn(G)恰恰就是G的边不交生成树的最大数目,那么Nash-Williams和Tutte的一个著名定理可以被重新表述如下:对任何图G,κn(G)≥k当且仅当对G的顶点集的每个划分P,G都至少有k(|P|1)条端点在不同划分集中的交叉边。广义连通度不仅是一个自然的组合度量,而且它在实际应用中有趣的解释也可以激发人们的兴趣。本论文分为四章。在第一章中,我们介绍了广义连通度的定义及其背景,并给出了本文中涉及到的相关概念、术语和记号。我们还列举了广义连通度的相关结果,包括本文的主要研究结果。对一般的图G及一般的正整数k,要得到κk(G)的精确值是非常困难的。因此在第二章,我们首先致力于κ3的研究,并主要考虑图的2-连通度和3-连通度之间的关系。我们得到了对一般图G,κ3(G)的紧的上界和下界,并分别构造了达到这个上界和下界的两类图。接下来我们证明了如果G是一个连通可平面图,那么κ(G)1≤κ3(G)≤κ(G),并给出了达到这个上下界的一些图类。最后我们讨论了κk和κk-1之间的关系,并得到对三次图G,κk(G)≤κk-1(G)成立,其中3≤k≤n,但是对一般的图G,这个论断是不成立的。我们还证明了如果3≤k≤6,那么对任何图G,κk(G)≤κ(G)成立,但是对任何大于等于7的整数k,我们总是可以给出一个满足κk> κ的图。在第三章中,我们对决定图的广义连通度的复杂性问题进行了研究。首先我们给出了一个算法来判定对一般的图G是否κ3(G)≥k。这个算法是在多项式时间内运行的如果k是一个固定的正整数。这就意味着对有小的最小度或小的连通度的图而言,决定κ3(G)的问题可以在多项式时间内解决。特别地,判定一个可平面图G是否κ(G)=κ3(G)的问题也可以在多项式时间内解决。接着,通过推广判定是否κ3(G)≥k的算法,我们得到如果k1和k2是两个固定的正整数,那么给定图G和V(G)的一个k1元子集S,判定G是否包含k2棵连接S的内部不交树的问题可以在多项式时间内解决。但是当k1是一个至少为4的固定的整数且k2不是一个固定的整数时,我们证明这个问题是NP-完全的。另一方面,当k2是一个至少为2的固定的整数且k1不是一个固定的整数时,我们证明这个问题也是NP-完全的。在这章的最后,我们给出了关于广义连通度的2个猜想。在第四章中,我们考虑了满足κ3≥2的图的边数的一些极值问题。我们首先研究了保证κ3≥2的极小边数,并得到给定任何大于等于4的正整数n,存在一个最小的整数f(n)=n23n22+3,使得每个顶点数为n,边数e(G)≥f (n)的图G都有κ3(G)≥2。接下来我们研究了满足κ3=2的图的极小边数。对一个顶点数为n,边数为e(G)且满足κ3(G)=2的图G,我们证明了e(G)≥65n,并且对所有大于等于4除了9,10以外的n,这个下界都是紧的。对于n=9,10,我们给出了例子证明65n+1是最好可能的下界。最后我们研究了对κ3=2是极小的图G的边数。我们给出了e(G)的紧的下界,但是对于e(G)的紧的上界g(n),我们只得到2n4≤g(n)≤3n10。确定g(n)的精确值仍然是一个公开问题。
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