Les graphes planaires



Documents pareils
Exo7. Limites de fonctions. 1 Théorie. 2 Calculs

Introduction à la théorie des graphes. Solutions des exercices

Eteindre. les. lumières MATH EN JEAN Mme BACHOC. Elèves de seconde, première et terminale scientifiques :

Théorie des Graphes Cours 3: Forêts et Arbres II / Modélisation

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

Image d un intervalle par une fonction continue

III- Raisonnement par récurrence

chapitre 4 Nombres de Catalan

Objectifs du cours d aujourd hui. Informatique II : Cours d introduction à l informatique et à la programmation objet. Complexité d un problème (2)

Relation d ordre. Manipulation des relations d ordre. Lycée Pierre de Fermat 2012/2013 Feuille d exercices

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

Suites numériques 3. 1 Convergence et limite d une suite

Problèmes de Mathématiques Filtres et ultrafiltres

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Jean Dubuffet AUTOPORTRAIT II

La fonction exponentielle

DOCM Solutions officielles = n 2 10.

avec des nombres entiers

BACCALAUREAT GENERAL MATHÉMATIQUES

Date : Tangram en carré page

Continuité en un point

Probabilités sur un univers fini

6. Les différents types de démonstrations

Raisonnement par récurrence Suites numériques

Limites finies en un point

Soit la fonction affine qui, pour représentant le nombre de mois écoulés, renvoie la somme économisée.

Cours d électricité. Circuits électriques en courant constant. Mathieu Bardoux. 1 re année

I. Cas de l équiprobabilité

Fête de la science Initiation au traitement des images

Fonctions de plusieurs variables

Chapitre 5 : Flot maximal dans un graphe

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Quels polygones sont formés par les milieux des côtés d un autre polygone?

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

Suites numériques 4. 1 Autres recettes pour calculer les limites

Le théorème de Perron-Frobenius, les chaines de Markov et un célèbre moteur de recherche

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

La demande Du consommateur. Contrainte budgétaire Préférences Choix optimal

Cours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

MAT2027 Activités sur Geogebra


Seconde Généralités sur les fonctions Exercices. Notion de fonction.

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

I. Polynômes de Tchebychev

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

Bien lire l énoncé 2 fois avant de continuer - Méthodes et/ou Explications Réponses. Antécédents d un nombre par une fonction

Fibonacci et les paquerettes

Représentation des Nombres

I. Ensemble de définition d'une fonction

INSERER DES OBJETS - LE RUBAN INSERTION... 3 TABLEAUX

Arithmétique binaire. Chapitre. 5.1 Notions Bit Mot

CARTE DE VOEUX À L ASSOCIAEDRE

Exercices de dénombrement

Leçon N 4 : Statistiques à deux variables

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Problèmes de dénombrement.

Cours IV Mise en orbite

Vision industrielle et télédétection - Détection d ellipses. Guillaume Martinez 17 décembre 2007

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Chapitre 11. Séries de Fourier. Nous supposons connues les formules donnant les coefficients de Fourier d une fonction 2 - périodique :

Théorie de la mesure. S. Nicolay

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

La mesure de Lebesgue sur la droite réelle

Les problèmes de la finale du 21éme RMT

3 Approximation de solutions d équations

Correction ex feuille Etoiles-Spectres.

UFR de Sciences Economiques Année TESTS PARAMÉTRIQUES

Cours Fonctions de deux variables

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Baccalauréat ES/L Amérique du Sud 21 novembre 2013

MIS 102 Initiation à l Informatique

Baccalauréat ES/L Métropole La Réunion 13 septembre 2013 Corrigé

Pop-Art façon Roy Liechtenstein

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

Continuité d une fonction de plusieurs variables

GUIDE Excel (version débutante) Version 2013

Factorisation Factoriser en utilisant un facteur commun Fiche méthode

Baccalauréat L spécialité, Métropole et Réunion, 19 juin 2009 Corrigé.

VIII- Circuits séquentiels. Mémoires

Introduction à l étude des Corps Finis

modélisation solide et dessin technique

Exercices sur le chapitre «Probabilités»

INTRODUCTION À L ANALYSE FACTORIELLE DES CORRESPONDANCES

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Quelques Algorithmes simples

Exercices types Algorithmique et simulation numérique Oral Mathématiques et algorithmique Banque PT

FICHE PEDAGOGIQUE 17

CHAPITRE 5. Stratégies Mixtes

Exercices Alternatifs. Quelqu un aurait-il vu passer un polynôme?

Exercices Alternatifs. Quelqu un aurait-il vu passer un polynôme?

ELEC2753 Electrotechnique examen du 11/06/2012

Probabilités sur un univers fini

Moments des variables aléatoires réelles

Introduction à la théorie des graphes

Module 16 : Les fonctions de recherche et de référence

Algorithmique et structures de données I

Transcription:

Les graphes planaires Complément au chapitre 2 «Les villas du Bellevue» Dans le chapitre «Les villas du Bellevue», Manori donne la définition suivante à Sébastien. Définition Un graphe est «planaire» si on peut le dessiner sur une feuille de papier sans que les arêtes se croisent. Une telle représentation s appelle un «graphe planaire topologique». ar exemple, le graphe de gauche ci-dessous est planaire parce qu en modifiant le tracé d une arête je peux obtenir le graphe de droite qui est en fait une représentation différente du même graphe, mais sans croisement d arête. D après la définition ci-dessus, ces 2 graphes sont planaires, mais seul celui de droite est planaire topologique. Définition Dans un graphe planaire topologique, les zones délimitées par des arêtes qui les entourent sont appelées des «faces». ar exemple, dans le graphe qui représente la villa des Courtel, on a 6 faces notées de f1 à f6. Notons que le contour extérieur d un graphe planaire topologique est également une face. Il s agit dans notre exemple de la face f6. Soit S le nombre de sommets d un graphe planaire topologique, A son nombre d arêtes et F son nombre de faces. Euler a démontré la propriété suivante. ropriété 1 Dans tout graphe planaire topologique connexe, on a F = A S + 2.

Cette propriété permet de démontrer de nombreux résultats. ar exemple, en notant le plus petit nombre d arêtes délimitant une face, on a le résultat suivant. ropriété 2 Tout graphe planaire topologique connexe avec S sommets et dont la plus petit face 2 comporte arêtes contient au plus (S 2) arêtes. reuve Soit G un graphe planaire topologique connexe avec S sommets, A arêtes, F faces et tel que le pourtour de chaque face comporte au moins arêtes. D après la propriété d Euler, on a F = A S + 2. En faisant la somme des nombres d arêtes autour de chaque face on obtient exactement le double du nombre d arêtes. En effet, chaque arête est comptée à double puisqu elle apparaît sur le pourtour de deux faces exactement. Comme le pourtour de chaque face contient au moins arêtes, on a 2A F. En utilisant la propriété d Euler, cette dernière inégalité se réécrit comme suit : 2A (A-S+2) c est-à-dire, en regroupant les A à droite : 2 (S 2) A Grâce à cette propriété, tel que l a fait Manori pour prouver l exagération toute marseillaise de Courtel, on peut montrer qu un graphe planaire connexe avec S sommets ne peut pas contenir plus de 3S-6 arêtes. ropriété 3 Tout graphe planaire connexe avec S sommets contient au plus 3(S-2) arêtes. reuve Soit G un graphe planaire connexe avec S sommets et A arêtes. Considérons une représentation R de G dans laquelle les arêtes ne se croisent pas. R est donc planaire topologique et a le même nombre de sommets et d arêtes que G. Soit le plus petit nombre d arêtes sur le pourtour d une face de R. Comme chaque face contient au moins 3 arêtes sur son pourtour, on a 3 et la 2 propriété 2 nous montre donc que que 3(S-2) (S 2) A. Ainsi, le graphe ci-dessous, correspondant à la description faite par Courtel de sa villa, ne peut pas être planaire puisque 3(S-2) vaut 9 alors que A vaut 10.

Supposons maintenant qu aucune face d un graphe planaire n est un triangle En d autres termes, supposons qu en choisissant trois sommets quelconques dans le graphe, il manque toujours au moins une arête entre deux de ces trois sommets. On a alors 4 et la borne sur le nombre d arêtes devient donc encore plus petite. ropriété 4 Tout graphe planaire connexe avec S sommets et sans triangle contient au plus 2(S-2) arêtes. reuve La preuve est similaire à la précédente. Étant donné un graphe planaire G connexe avec S sommets, A arêtes et sans triangle, on peut considérer une représentation planaire topologique R de G dans laquelle les arêtes ne se croisent pas. Le graphe R a le même nombre de sommets et d arêtes que G et ne comporte pas de triangle. Le plus petit nombre d arêtes sur le pourtour d une face de R vaut donc au moins 4. 2 La propriété 2 valable pour tout nous montre donc que 2(S-2) (S 2) A. C est en utilisant cette propriété que Manori réussit à démontrer que le graphe ci-dessous, correspondant au connections des villas à l eau, au gaz et à l électricité, n est pas planaire. En effet, ce graphe ne comporte pas de triangle et on a 2(S-2)=8 alors que A=9. On remarque donc qu il est parfois facile de montrer qu un graphe n est pas planaire. Ce n est par contre pas toujours le cas. Dans l exemple ci-dessous, on a S=6 sommet, A=11 arêtes et le graphe contient des triangles. On sait donc que si ce graphe est planaire, alors 3(S-2) A. Dans notre cas, 3(S-2) = 12 > A. Ce graphe pourrait donc théoriquement être planaire, mais il ne l est pas car il est impossible de le dessiner en évitant tous les croisements d arêtes. La propriété 2 permet de démontrer de nombreux autres résultats. ar exemple, on peut montrer que tout graphe planaire contient au moins un sommet de degré au plus 5.

ropriété 5 Tout graphe planaire contient au moins un sommet de degré au plus 5. reuve Soit G un graphe planaire. Soit G une composante connexe de G (remarquons que G =G si G est connexe). En notant S et A les nombres de sommets et d arêtes de G, nous savons par la propriété 3 que 3(S-2) A, ce qui peut se réécrire 3S A+6 (*) Faisons un raisonnement par contradiction. Supposons donc que tous les sommets de G (et donc aussi de G ) sont de degré au moins 6 et montrons que nous obtenons nécessairement quelque chose d absurde. Nous supposons donc que la somme des degrés des sommets de G vaut au moins 6S. On a déjà constaté que la somme des degrés des sommets d un graphe est égale au double du nombre d arêtes. On a donc 2A 6S, c est-à-dire A 3S (**) En regroupant les deux inégalités (*) et (**) on obtient donc A A+6, ce qui est bien entendu impossible. Considérons à nouveau le graphe du chapitre précédent dans lequel on a un sommet par participant à COS et une arête entre deux participants lorsque ceux-ci ont déjà travaillé ensemble. Si les organisateurs de COS définissent finalement leurs groupes de travail de telle sorte que chaque participant a travaillé dans le passé avec exactement 6 autres personnes du groupe, alors on sait que le graphe associé à un groupe n est pas planaire puisque tous les sommets sont de degré 6. Les graphes planaires ont été popularisés par l écossais Francis Guthrie qui, en 1852, s est demandé s il est possible de colorer toutes les cartes de géographie à l aide de quatre couleurs uniquement, sans que deux pays ayant une frontière commune aient la même couleur. En représentant chaque pays par un sommet et en reliant deux sommets par une arête si et seulement si les deux pays représentés par ces sommets ont une frontière commune, on obtient un graphe planaire. Francis Guthrie a donc voulu savoir s il est toujours possible de colorer les sommets d un graphe planaire en utilisant uniquement 4 couleurs, avec comme unique contrainte que les extrémités de chaque arête doivent être de couleur différente (ce qui est équivalent à demander que les pays ayant une frontière commune aient des couleurs distinctes). Voici à titre d illustration, une coloration en quatre couleurs d une carte de géographie imaginaire.

Le graphe suivant représente cette coloration. Il est facile de colorer n importe quel graphe planaire G en utilisant au maximum 6 couleurs (au lieu de 4), avec comme unique contrainte que les extrémités de chaque arête doivent être de couleur différente. our ce faire, on peut tout d abord ordonner les sommets de la manière suivante (où S représente le nombre de sommet du graphe G). Considérer le graphe G =G et initialiser un compteur c à 0 Tant que G n est pas vide faire Choisir un sommet de plus petit degré dans G et le mettre en position S-c; Ôter ce sommet de G et incrémenter le compteur d une unité À titre d illustration, pour le graphe ci-dessus, on peut choisir à la première étape B, C, D, E ou G puisqu ils sont tous de degré minimum 3. Choisissons B qui est ainsi mis en 8 e position. Dans le nouveau graphe obtenu en supprimant B, seul C est de degré minimum 2. On le met donc en 7 e position. C est ensuite au tour de D d être mis en 6 e position, puis E en 5 e position. Il reste alors 4 sommets de degré 3. On peut par exemple choisir de mettre le sommet H en 4 e position, puis F en 3 e position, G en 2 e et finalement A en 1 ère. On obtient donc une liste contenant A,G,F,H,E,D,C,B dans cet ordre. Ce processus est illustré ci-dessous.

On peut alors colorer les sommets du graphe dans l ordre défini par cette liste. ar construction, à chaque fois qu on colore un sommet, celui-ci est de degré minimum dans le graphe constitué des sommets déjà colorés. Étant donné que G est planaire on sait par la propriété 5 que ce degré est nécessairement inférieur à 6. En d autres termes, quand on colore un sommet, ce dernier est relié à au plus 5 sommets déjà colorés. Il existe donc toujours une des 6 couleurs de disponible. ar exemple, si on décide de toujours utiliser la couleur blanche quand c est possible, le gris clair en deuxième choix, le gris foncé en troisième et le noir en quatrième, en colorant les sommets dans l ordre A,G,F,H,E,D,C,B, on va commencer par attribuer la couleur blanche à A; puis G se verra attribué le gris clair, F le gris foncé et H le noir; lorsque vient le tour du sommet E, il peut recevoir la couleur blanche ou le gris clair et on lui attribue donc de préférence le blanc. On poursuit ainsi de suite pour finalement obtenir la coloration déjà montrée plus haut. Il est un peu plus difficile (mais pas trop) de colorer un graphe planaire avec uniquement 5 couleurs au plus. ar contre, ce n est que depuis 1976 que l on sait, grâce à Kenneth Appel et Wolfgang Haken que quatre couleurs sont toujours suffisantes. Mais là, ça devient assez compliqué à mettre en œuvre.