En una red podemos pedir cosas diferentes: asignar tareas sin reutilizar personas, dar colores sin que coincidan vecinos o dibujar conexiones sin cruces. No hay una sola regla que resuelva las tres. Las veremos una por una, construyendo soluciones y explicando qué prueba que ya no se puede mejorar.
Si necesitas repasar:
1. Un emparejamiento no reutiliza ningún extremo
En un grafo finito simple no dirigido, un emparejamiento M es un conjunto de aristas sin vértices compartidos. Un vértice está cubierto si pertenece a una de ellas y libre si no. Es perfecto cuando cubre todos: cada arista cubre dos vértices distintos, así un perfecto exige un número par de vértices.
Maximal significa que no podemos añadir otra arista conservando las actuales. Máximo significa que no existe ningún emparejamiento de mayor tamaño. No son sinónimos: mejorar puede requerir quitar aristas y reorganizar, como en la cadena de la figura. En un grafo bipartito, sus dos partes pueden representar personas y tareas compatibles.
Una elección que bloquea sin ser la mejor
Cadena A−B−C−D y emparejamiento M={BC}.
Es válido
Solo hay una arista, así no hay extremos repetidos.
Es maximal
AB y CD tocan un extremo ya cubierto por BC; no se puede añadir ninguna directamente.
No es máximo
{AB, CD} es otro emparejamiento de tamaño dos, mayor que uno.
Maximal no garantiza máximo.
Dos es el máximo porque cuatro vértices no pueden cubrir más de dos parejas disjuntas.
Paridad necesaria, pero no suficiente
Estrella con centro o y tres hojas a, b, c.
Número par
Tiene cuatro vértices.
Aristas
Todas tocan o, por lo que un emparejamiento tiene como máximo una.
Perfecto imposible
Haría falta cubrir cuatro vértices con dos aristas disjuntas, que no existen.
Tener un número par de vértices no asegura un emparejamiento perfecto.
Sí es una condición necesaria, porque un perfecto cubre exactamente 2|M| vértices.
2. Un camino aumentante cambia decisiones anteriores para ganar una arista
Respecto a M, un camino aumentante alterna aristas fuera y dentro del emparejamiento, empezando y terminando en vértices libres. Al invertir las elecciones a lo largo del camino entran una arista más de las que salen. Los vértices internos conservan una arista elegida y los extremos libres pasan a estar cubiertos.
Un emparejamiento es máximo si y solo si no tiene camino aumentante. Para la dirección difícil, compáralo con otro mayor: las aristas que aparecen en uno solo forman componentes de grado como máximo dos, caminos o ciclos alternantes. Los ciclos tienen igual cantidad de cada elección; como el segundo emparejamiento es mayor, algún camino tiene una arista suya de más.
Sus extremos están libres para M y es un camino aumentante.
Invertir el camino de cuatro vértices
M={BC} en A−B−C−D.
Alternancia
AB no está en M, BC sí, CD no.
Extremos
A y D están libres.
Invertir
Quitamos BC y añadimos AB, CD: el tamaño pasa de uno a dos.
A−B−C−D es aumentante.
Los vértices B y C no quedan duplicados: pierden su arista antigua antes de recibir la nueva.
Una reorganización puede necesitar más pasos
Cadena A−B−C−D−E−F y M={BC, DE}.
Camino completo
AB, BC, CD, DE, EF alterna fuera, dentro, fuera, dentro, fuera.
Intercambio
Salen BC, DE y entran AB, CD, EF.
Ganancia
Se cubren los seis vértices con tres aristas en vez de dos.
La ganancia sigue siendo una aunque se cambien cinco decisiones de arista.
La diferencia entre entradas y salidas, no la longitud total, determina cuánto aumenta el tamaño.
3. Hall comprueba capacidad para todos los subconjuntos de personas
En un grafo bipartito finito con partes A y B, N(S) reúne todos los vecinos de los vértices de S⊆A. Para cubrir A sin repetir tareas es necesario |N(S)|≥|S| para todo S: esas personas necesitan tareas distintas. Hall afirma que también es suficiente. Si |A|=|B|, cubrir A cubre todo el grafo; si B es mayor, pueden quedar tareas libres.
Veamos la suficiencia usando caminos aumentantes. Tomamos un emparejamiento máximo. Si deja libre a∈A, exploramos desde a por aristas no elegidas hacia B y por elegidas de vuelta a A. Sea S el conjunto de A alcanzado y T el de B. Ningún vértice de T está libre, porque daría un camino aumentante.
Cada vértice de T está emparejado con un vértice distinto de S, y S salvo a se alcanza precisamente por esas parejas. Además N(S)=T: los vecinos no emparejados se exploran y la pareja de cada miembro alcanzado ya pertenece a T.
No puede quedar nadie de A libre.
Revisar solo personas individuales no basta
Personas p, q, r; tareas x, y, z; aristas px, qx, ry, rz.
Individuales
Cada persona tiene al menos una tarea posible.
Subconjunto clave
S={p, q} tiene N(S)={x}.Comparar
|N(S)|=1<2=|S|.
No existe emparejamiento que cubra a las tres personas.
El obstáculo persiste aunque haya tres tareas en total: dos personas compiten por la misma única tarea.
Una construcción certifica que una asignación funciona
Aristas px, py, qy, qz, rx entre A={p, q, r} y B={x, y, z}.
Elegir
Asignamos p a y, q a z y r a x.
Verificar
Las tres aristas existen y sus tareas son distintas.
Hall como control
Los individuales tienen vecinos; cada pareja tiene al menos dos, y N(A)={x, y, z} tiene tres.
Existe un emparejamiento perfecto {py, qz, rx}.
Una construcción válida prueba existencia directamente; Hall explica qué obstrucción habría impedido conseguirla.
4. Para demostrar un número cromático hacen falta dos certificados
Una coloración propia asigna colores distintos a los extremos de cada arista. χ(G) es el menor número posible. Exhibir k colores solo prueba χ≤k; demostrar que hacen falta al menos k prueba χ≥k. Para concluir igualdad necesitamos ambas partes.
Una clique de tamaño t, donde cada pareja es adyacente, exige t colores. Por otro lado, si el grado máximo es Δ, un algoritmo voraz dispone siempre de un color entre Δ+1: al llegar a un vértice, sus vecinos anteriores prohíben como máximo Δ. Esto prueba ω(G)≤χ(G)≤Δ+1; no garantiza que el resultado voraz sea óptimo ni que una clique explique toda dificultad.
Certificar el mínimo del completo de cuatro vértices
En K₄ cada pareja está unida.
Cota inferior
Los cuatro vértices necesitan colores diferentes: χ≥4.
Construcción
Asignar un color distinto a cada uno es válido: χ≤4.
Unir
Las dos desigualdades dan χ=4.
K₄ necesita exactamente cuatro colores.
No bastaría solo mostrar una coloración con cuatro si no explicáramos por qué tres son imposibles.
Una cota válida puede no ser ajustada
Estrella con centro y cuatro hojas: Δ=4.
Cota general
El método Δ+1 asegura como máximo cinco colores.
Mejor construcción
Un color al centro y otro a todas las hojas usa dos.
Inferior
Como hay una arista, uno no basta.
Su número cromático es dos, aunque la cota general sea cinco.
Las hojas no son adyacentes entre sí, así pueden compartir color.
5. Dos colores equivalen a separar el grafo en dos partes sin aristas internas
Un grafo es bipartito si V se divide en dos partes sin aristas dentro de cada una. Esto equivale a una coloración con a lo sumo dos colores. Si tiene alguna arista, χ=2; si es no vacío y no tiene aristas, χ=1. La definición admite partes vacías cuando corresponda.
También equivale a no contener ciclos impares. Un ciclo impar no permite alternar dos colores y cerrar bien. Para la otra dirección se colorea cada componente según paridad de la distancia desde un origen. Una arista entre la misma paridad produciría un recorrido cerrado impar; borrar segmentos repetidos conserva algún recorrido cerrado impar hasta obtener un ciclo impar, contradicción.
Un ciclo par permite alternar y cerrar
Ciclo A−B−C−D−E−F−A.
Partes
Una es {A, C, E}; la otra {B, D, F}.
Comprobar
Cada arista une una parte con la otra, incluida FA.
Mínimo
Hay aristas, así un color no basta; dos sí.
χ(C₆)=2 y el ciclo es bipartito.
No se exige que las dos partes estén dibujadas físicamente a izquierda y derecha.
Un ciclo impar falla al cerrar
Ciclo de cinco vértices A, B, C, D, E.
Intentar dos
A:1, B:2, C:1, D:2 obliga E:1 por la arista DE.
Contradicción
E y A comparten color pero son adyacentes.
Tres bastan
La asignación 1,2,1,2,3 sí es válida.
χ(C₅)=3, aunque su clique máxima solo tenga tamaño dos.
El obstáculo de un ciclo impar no requiere que haya un triángulo.
6. Planar significa que existe algún dibujo sin cruces
Un grafo es planar si admite una representación en el plano donde las aristas solo se encuentran en sus extremos compartidos. Un grafo plano incluye un dibujo concreto sin cruces. Un dibujo con un cruce no prueba que todos los dibujos deban tenerlo.
En un dibujo plano, las caras son las regiones del complemento; la exterior también cuenta. Los segmentos se pueden curvar sin alterar conexiones. Poner un punto en un cruce y tratarlo como vértice modifica el grafo: no es simplemente redibujar el original.
Redibujar K₄ elimina el cruce
La primera figura dibuja K₄ como cuadrado con dos diagonales.
Cruce inicial
Las diagonales se cruzan, pero no se declaró un vértice allí.
Otro dibujo
Colocamos tres vértices en un triángulo y el cuarto dentro, unido a los tres.
Verificar
Se conservan las seis aristas entre parejas y no hay cruces.
K₄ es planar aunque el primer dibujo tenga cruces.
En el segundo dibujo hay tres caras interiores y una exterior.
Convertir un cruce en vértice cambia los datos
Dos aristas AB y CD se cruzan en un dibujo, con cuatro extremos distintos.
Sin vértice nuevo
Son dos aristas con extremos AB y CD; el cruce no permite pasar de una a otra.
Declarar X
Sustituirlas por AX, XB, CX, XD introduce un vértice y cuatro aristas.
Cambio estructural
Ahora se puede recorrer A, X, C, que antes no estaba permitido.
Añadir X crea otro grafo.
Una solución de planaridad debe conservar el grafo pedido, salvo que el problema autorice modificarlo.
7. Euler relaciona vértices, aristas y todas las caras del dibujo plano
Un árbol tiene m=n−1 y una sola cara, la exterior. Si hay un ciclo, borrar una de sus aristas conserva conexión y fusiona dos caras: m y f bajan uno, y la expresión no cambia. Repitiendo se llega al árbol, lo que demuestra Euler.
Se pueden conectar las componentes mediante c−1 nuevas aristas sin cruces y sin crear caras nuevas; aplicar la fórmula conexa da la versión general. La hipótesis de representación plana ya debe estar justificada: no se usa Euler para declarar planar cualquier grafo por despejar un número.
Contar la cara exterior de K₄
Dibujo plano de K₄ con n=4 y m=6.
Despejar
f=2−n+m=2−4+6=4.Dibujo
Tres regiones dentro del triángulo y una exterior.
Verificar
4−6+4=2.
Hay cuatro caras, no tres.
Las regiones del dibujo corroboran la ecuación con la cara exterior incluida.
Dos triángulos separados requieren la versión desconectada
Dibujo de dos triángulos sin cruces y sin conexiones entre ellos.
Cantidades
n=6, m=6, c=2.General
f=1+c−n+m=1+2−6+6=3.Regiones
Una interior por triángulo y una exterior compartida.
Hay tres caras.
Aplicar sin ajuste n−m+f=2 daría dos y olvidaría una componente.
8. Las cotas de aristas descartan algunos grafos planares, pero no los reconocen todos
Para un grafo simple plano conexo con n≥3, cada borde de cara tiene al menos tres incidencias de aristas y la suma de longitudes de bordes es 2m. Una arista puente aparece dos veces en el borde de una misma cara.
En un bipartito simple conexo sin triángulos los bordes tienen al menos cuatro incidencias, dando m≤2n−4.
Las mismas cotas valen para grafos simples planares no necesariamente conexos con n≥3: podemos unir componentes sin cruces hasta obtener un conexo; para el caso bipartito se pueden intercambiar los nombres de las dos partes de cada componente al conectarlas. Son condiciones necesarias. Cumplir una cota no construye un dibujo ni prueba planaridad.
K₅ contradice la cota simple
K₅ tiene una arista por cada pareja de sus cinco vértices.
Aristas
m=C(5,2)=10.Cota si fuera planar
3n−6=15−6=9.Contradicción
10>9, así no puede ser planar.
K₅ no es planar.
La hipótesis de grafo simple y n≥3 se cumple; no estamos usando una cota fuera de su dominio.
K₃,₃ necesita la cota bipartita
Tiene tres vértices en cada parte y todas las nueve conexiones entre partes.
Primera cota
n=6, m=9 y 9≤12=3n−6: no lo descarta.Bipartición
No hay aristas internas, por lo que sería aplicable m≤2n−4=8 si fuese planar.
Contradicción
9>8.
K₃,₃ no es planar pese a cumplir la primera cota.
Este contraejemplo muestra por qué una condición necesaria no es una prueba de planaridad.
9. Los teoremas estructurales aportan más que una desigualdad numérica
Kuratowski afirma que un grafo finito es planar si y solo si no contiene una subdivisión de K₅ ni de K₃,₃. Subdividir una arista la reemplaza por un camino con nuevos vértices internos, distintos de los usados en otros reemplazos. Se enuncia aquí este resultado estructural; la cota de aristas no constituye su demostración.
El teorema de cuatro colores asegura como máximo cuatro para grafos planares. También se enuncia, sin pretender deducirlo de Euler. Euler sí permite una prueba elemental de seis colores: todo subgrafo simple planar no vacío tiene algún vértice de grado como máximo cinco; lo quitamos, repetimos y coloreamos al reconstruir en orden inverso.
Esa prueba por sí sola ofrece seis, no cuatro.
Las propiedades no se confunden: K₄ es planar y necesita cuatro colores; un árbol es planar y bipartito pero puede no tener emparejamiento perfecto; K₃,₃ es bipartito y tiene perfecto, pero no es planar. Cada pregunta requiere su propia condición.
Una subdivisión puede pasar la cota de aristas y seguir siendo no planar
En K₅ reemplazamos AB por A−W−B.
Nuevas cantidades
Añadimos un vértice y una arista neta: n=6, m=11.Cota numérica
11≤3·6−6=12; la desigualdad ya no lo descarta.Obstrucción
Si admitiera dibujo sin cruces, suprimir W de grado dos y seguir el mismo trazo daría un dibujo plano de K₅, imposible.
El grafo subdividido no es planar.
La estructura conserva una obstrucción aunque cambien los recuentos.
Qué alcanza realmente el argumento de grado bajo
Queremos colorear un grafo simple planar finito mediante eliminación.
Grado pequeño
Si n≥3, el grado medio 2m/n≤6−12/n<6; algún grado es como máximo cinco. Para uno o dos vértices también existe ese vértice.
Herencia
Todo subgrafo sigue siendo simple planar, así repetimos hasta vaciarlo.
Reconstruir
Al devolver un vértice, tiene como máximo cinco vecinos ya coloreados; seis colores dejan uno disponible.
Esta demostración obtiene seis colores.
El resultado mejor de cuatro colores es un teorema adicional; no sale de reemplazar sin justificación seis por cuatro.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Triángulo
Calcula χ(K₃).
Grafo
K₃ tiene tres vértices y una arista entre cada pareja.
Cota inferior
Cada vértice es vecino de los otros dos; los tres deben tener colores diferentes.
Dos no bastan
Con solo dos colores se repetiría uno en dos vértices adyacentes.
Construcción
Un color distinto para cada vértice da una coloración propia con tres.
Conclusión
χ(K₃)=3 por las dos cotas.Comprobar
Es una clique de tamaño tres y la construcción alcanza esa cota inferior.
χ=3.
K₃ es una clique de tamaño3 y la coloración con3 colores alcanza esa cota inferior.
EJEMPLO RESUELTO 2
Euler
Un grafo conexo planar tiene 6 vértices y 9 aristas. Número de caras.
Hipótesis
El grafo es conexo y planar; para contar caras consideramos una representación plana.
Euler
n−m+f=2, contando también la cara exterior.Sustituir
6−9+f=2.Despejar
f=2−6+9=5.Interpretar
Son cinco caras en total, incluida la exterior.
Control adicional
9≤3·6−6=12 es compatible con planaridad, pero esa desigualdad por sí sola no la habría demostrado.
Cinco caras, incluyendo la exterior.
La cota planar9≤3·6−6=12 es compatible con los datos, aunque por sí sola no demostraría planaridad.
Los símbolos que hemos usado
- M
- Emparejamiento: conjunto de aristas sin extremos compartidos.
- N(S)
- Conjunto de vecinos de los vértices de S.
- χ(G)
- Mínimo número de colores en una coloración propia de los vértices de G.
- Δ
- Máximo grado de un vértice del grafo.
- n,m,f
- Cantidades de vértices, aristas y caras de un dibujo plano; la cara exterior cuenta.
- Kᵣ, Kₚ,ᵩ
- Grafo completo de r vértices y grafo bipartito completo con partes de tamaños p y q.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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