Том 11. Карты метро и нейронные сети. Теория графов

Глава 2 Графы и цвета

В этой главе мы приглашаем читателя подумать над одной задачей теории графов, которая кажется очень простой. Это задача о раскраске карт. Вы увидите, как одна занимательная задача иногда может вызвать подлинный прорыв в науке.

Большинство географических карт можно интерпретировать как графы, вершинами которых являются точки, где сходятся три линии и более, а ребрами — границы стран и территорий. Составители карт пытались раскрасить их так, чтобы разные страны и территории были окрашены в разные цвета. Учитывая число стран и ограниченное количество цветов, которые использовались при цветной печати, требовалось раскрасить карты так, чтобы в разные цвета были окрашены только страны с общими границами. Естественно, возник вопрос: какое минимальное число цветов необходимо, чтобы все страны с общими границами были окрашены в разные цвета? (Подразумевается, что точка не является границей.) Так как существует множество различных карт (карты стран, регионов, промышленных районов и так далее), то очевидно, что задачу нужно сформулировать в общем виде с помощью графов. Иными словами, нужно рассматривать карты, описывающие произвольный плоский граф.

Сначала обратимся к следующим фигурам. Для раскраски каждой из них в соответствии с заданными правилами требуется 1, 2, 3 и 4 цвета соответственно.

Заметим, что если мы также захотим раскрасить и внешнюю область, то нам понадобится соответственно 2, 3, 4 и… снова 4 цвета.

Следующие фигуры более сложны.

Сразу же становится понятно, что для их раскраски достаточно четырех цветов.

Обратите внимание, что в обоих случаях внешнюю область также можно раскрасить одним из этих четырех цветов (определите, каким именно). Разумеется, решение задачи о раскраске графа не изменится, если мы заменим исходный граф изоморфным ему.

Как выглядят карты (плоские графы), для раскраски которых достаточно всего двух цветов? А трех цветов? Ответ на эти вопросы нетруден, и его можно найти довольно быстро. Обратимся к теореме о двух красках, которая гласит: «Карту можно раскрасить двумя цветами тогда и только тогда, когда в соответствующем ей графе все вершины имеют четную степень».

Любопытно, что если карту можно раскрасить двумя цветами, то все вершины соответствующего графа будут иметь четную степень. Если в нем будет хотя бы одна вершина с нечетной степенью, то как минимум одна грань графа будет граничить с двумя гранями и для раскраски понадобится уже три цвета. Чтобы доказать обратное утверждение, нужно выполнить несколько действий. Сначала докажем, что если мы проведем на плоскости n линий случайным образом, то полученную карту можно будет раскрасить всего двумя красками (вспомните, например, шахматную доску).

Используем метод доказательства по индукции, который заключается в том, что мы докажем это утверждение для n = 1 и посмотрим, будет ли верным это утверждение для n + 1, если оно верно для n.

При n = 1 (а) доказательство тривиально. Допустим, что это утверждение верно для n прямых (b), и рассмотрим карту, на которой изображена n + 1 прямая (с). Если мы удалим одну из линий, то получим карту из n прямых, которую можно раскрасить двумя цветами (верно по индукции). Следовательно, при добавлении (n + 1)-й прямой вверху (или справа) от добавленной прямой все цвета останутся без изменений, а с другой стороны от этой прямой все области изменят цвет на противоположный. Таким образом, карту из n + 1 прямой можно раскрасить всего двумя красками. С учетом соответствующих различий можно заметить, что любую карту из n окружностей, случайным образом распределенных на плоскости, также можно раскрасить двумя красками. И в случае с прямыми, и в случае с окружностями все вершины полученного графа будут иметь четную степень. В любом графе, вершины которого имеют четную степень, бóльшую двух, при удалении цикла получится граф, вершины которого по-прежнему будут иметь четную степень. Как и все графы такого типа, его можно будет представить в виде прямых или окружностей. Теорема о двух красках доказана.

Применительно к задачам раскраски во многих случаях интерес представляют только графы, степень каждой вершины которых не превышает 3. Если одна из вершин графа имеет степень больше 3, то можно провести окружность С с центром в этой вершине, которая не будет касаться никакой другой вершины, затем удалить элементы графа внутри этой окружности и получить новый граф с вершинами степени 3, соответствующими пересечениям С и исходных ребер. Если мы раскрасим полученную карту, а затем удалим построенную окружность и вернемся к исходному графу, то задача будет решена, как показано на следующих рисунках. Таким образом, в задачах о раскраске графов иногда можно рассматривать только плоские графы, каждая вершина которых имеет степень 3.

Доказательство теоремы о трех красках сложнее, чем предыдущей, поэтому мы не будем приводить его здесь. Сама теорема звучит так:

«Плоский граф с вершинами степени 3 можно раскрасить тремя красками тогда и только тогда, когда все его грани ограничены четным числом ребер».

* * *

* * *

Итак, были открыты признаки графов, для раскраски которых достаточно двух или трех красок, и вскоре стало очевидно, что пяти цветов достаточно для раскраски любого графа. Однако оказалось очень сложно определить, достаточно ли четырех цветов для раскраски любого графа. В математике подобное случалось не раз: частный случай оказывался самым трудным.

В 1852 году Френсис Гутри, изучая различные карты, предположил, что их можно раскрасить в четыре цвета так, чтобы страны с общими границами имели разные цвета. В то время Френсис уже завершил обучение в университете, поэтому он обратился к своему брату Фредерику, который изучал математику у известного преподавателя Огастеса де Моргана. Де Морган не смог дать ответ и познакомил с задачей своих коллег, среди которых был сэр Уильям Гамильтон. В 1878 году

Математики Френсис Гутри (слева), который предположил, что любую карту можно раскрасить в четыре цвета, и Артур Кэли, который представил эту задачу Лондонскому математическому обществу.

Артур Кэли представил формальное изложение этой задачи на всеобщее рассмотрение в Лондонском математическом обществе.

В 1879 году была опубликована статья, в которой доказывалось, что четырех цветов достаточно. Автором остроумного доказательства был лондонский адвокат Альфред Кемпе. С 1879 по 1890 год (одиннадцать лет!) его решение считалось верным, а задача о четырех красках — решенной.

В 1890 году Перси Хивуд удивил всех, обнаружив неустранимую ошибку в доказательстве Кемпе. Требовалось найти новое доказательство. Сам Хивуд и многие другие математики потратили немало времен и сил, пытаясь решить эту задачу. Никому не удавалось найти карту, для раскраски которой требовалось бы пять красок. Поэтому было логичным предположить, что четырех красок должно быть достаточно для любой карты. Как часто бывает в математике, неудачные попытки решить одну задачу позволили получить результаты, применимые в других областях (геометрии, топологии, комбинаторике).

Любопытно, что было найдено решение этой задачи для карт, расположенных на поверхностях неправильной формы. Например, для тора (геометрического тела в форме бублика) нужно семь красок, для ленты Мёбиуса (чтобы изготовить ее, нужно склеить края вытянутого прямоугольника, предварительно развернув один из них) — шесть цветов. Также было найдено верное доказательство того, что для любой карты достаточно пяти цветов; были обнаружены характерные свойства карт, для раскраски которых достаточно всего двух или трех красок. Однако доказательство гипотезы о четырех красках (для карты на плоскости или на поверхности сферы) попрежнему не было найдено. Его пришлось ждать очень долго.

* * *

* * *

В 1950-е годы было показано, что четырьмя красками можно раскрасить любые карты, на которых изображено не более чем 38 стран. Немецкий математик Генрих Хееш, следуя путем Кемпе, понял, что в решении задачи помогут новые возможности, предлагаемые компьютерами. Для них рассмотрение любой карты сводилось к перебору различных вариантов.

С 1970 по 1976 год математики Кеннет Аппель и Вольфганг Хакен из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн с помощью компьютера путем перебора многих тысяч вариантов окончательно доказали: «Четырех цветов достаточно».

Это событие приобрело такую важность, что Почтовая служба США выпустила марку с этой фразой. Доказательство Аппеля и Хакена позднее было уточнено, но никому до сих пор не удалось избежать перебора множества вариантов, то есть найти доказательство, для которого не требовалось бы применение компьютера. Использование информационных технологий в математических доказательствах (не только при решении проблемы четырех красок) привело к появлению принципиально новой парадигмы по сравнению с классическими математическими доказательствами. В 1997 году Робертсон, Сандерс, Сеймур и Томас привели обновленное доказательство, в котором сочетались классические представления и новые компьютерные алгоритмы. Тем не менее «классическое» доказательство до сих пор не найдено.

Кеннет Аппель и Вольфганг Хакен. Фотография 1970-х годов.

Позднее появились новые задачи о раскраске карт. Так, Герберт Тейлор предложил обобщить проблему четырех красок следующим образом: сколько красок необходимо, чтобы раскрасить карту, в которой все страны и территории состоят из m несвязных частей, причем все территории одной страны должны быть окрашены одним цветом, а регионы одного цвета не должны иметь общей границы? При m = 1 мы возвращаемся к исходной проблеме четырех красок. В 1980 году Хивуд доказал, что для m = 2 необходимо 12 цветов. Тейлор доказал, что для m = 3 требуется 18 цветов, для m = 4 — 24 цвета. Для m >= 5 существует гипотеза, согласно которой искомым числом будет 6m, но на сегодняшний день доказательств этому не найдено. Различные задачи о раскраске карт сегодня составляют отдельный раздел теории графов, который по-прежнему притягивает интерес ученых.

* * *

* * *

Подобно раскраске граней геометрического графа можно говорить о раскраске его ребер или вершин.

Раскраска вершин V(С) графа G множеством цветов С состоит в присвоении каждой вершине графа цвета из множества С таким образом, что смежные вершины будут окрашены в разные цвета. Хроматическое число X(G) графа G определяется так: это минимальное количество цветов, в которое можно раскрасить вершины графа С так, чтобы любые смежные вершины имели разные цвета.

Если С имеет как минимум одно ребро, то X(G) будет больше либо равно 2. Очевидно, что X(G) не может быть больше числа вершин V (граничным случаем будет раскраска каждой вершины в свой цвет). Разумеется, хроматическое число является инвариантом, так как полностью эквивалентные (изоморфные) графы имеют одинаковое хроматическое число.

Рассмотрим следующие графы:

Если n вершин графа расположены в одну линию, его хроматическое число равно 2, так как для его раскраски будет достаточно чередовать цвета. Это же справедливо и для любого дерева. Если же все вершины графа образуют цикл и число вершин четно, то хроматическое число такого графа равно 2. Если же число вершин нечетно, то хроматическое число равно 3. И наконец, если граф является колесом (граф с n вершинами, (n — 1) — я вершина которого принадлежит простому циклу, а одна вершина вне этого цикла смежна со всеми остальными), то его хроматическое число равно 3, если внешний цикл состоит из четного числа вершин. Если же это число нечетное, хроматическое число будет равно 4.

Используя принцип двойственности, можно переходить от одного типа графов к другому так, что цвета граней одного графа станут цветами вершин другого. Интересно, что вместо цветов можно использовать лингвистические категории или атрибуты. В этом случае группы вершин одного цвета или категории образуют классификацию. Это происходит при формировании списков.

При раскраске вершин графа обычно используется строгий алгоритм: вершины нумеруются по порядку, первой вершине в списке присваивается первый цвет, затем цвет присваивается второй вершине (если она смежна первой, цвет меняется, если нет, используется прежний цвет) и так далее. Однако следует проявлять осторожность: результатом работы этого алгоритма не всегда будет хроматическое число.

Следовательно, чтобы найти минимально возможное число цветов, результат этого алгоритма понадобится пересмотреть.

На следующих рисунках изображен граф, соответствующий кубу, который с помощью вышеописанного алгоритма был раскрашен в четыре цвета. Однако существует красивое решение, позволяющее раскрасить этот же граф всего двумя красками.

По сути, вышеописанный алгоритм гарантирует лишь то, что число различных цветов не будет превышать максимальную степень вершин графа плюс один. Поиск эффективных алгоритмов раскраски графа — нетривиальная задача.

В этой главе мы рассказали о том, что часто происходит в математике: задача, которая изначально кажется лишь игрой, создает основу для серьезных исследований.

* * *