Планарные графы и плоские рисунки
Когда рёбра можно нарисовать без пересечений и что считает формула Эйлера.
Чему научимся
Тема помогает отличать свойство абстрактного графа от неудачного рисунка, проверять число граней и быстро доказывать непланарность слишком плотных простых графов по ограничению |E| ≤ 3|V|−6.
Главная идея. Планарность означает существование рисунка графа без пересечений рёбер вне вершин. Для связного плоского представления выполняется формула Эйлера |V|−|E|+|F|=2, причём внешняя область тоже считается гранью.
План рассуждения и проверка понимания
- Уточните, связен и прост ли граф, а затем попытайтесь изменить расположение вершин и изгиб рёбер без добавления новых вершин.
- Для выбранного плоского рисунка посчитайте V, E и все грани вместе с внешней, после чего проверьте формулу Эйлера.
- Если простой граф имеет не менее трёх вершин, сравните E с 3V−6; нарушение доказывает непланарность, прохождение ещё не доказывает планарность.
Частая ошибка. Объявлять граф непланарным из-за пересечения в одном рисунке либо считать точку пересечения новой вершиной, не меняя при этом числа рёбер и саму модель.
Как проверить себя. Планарность допускает любое корректное перерисовывание; новая вершина появляется только при явном разбиении пересекающихся рёбер, что создаёт уже другой граф.
Наглядная модель: Планарные графы и плоские рисунки
Когда рёбра можно нарисовать без пересечений и что считает формула Эйлера.
- Планарные графы и плоские рисунки → планарность
- Планарные графы и плоские рисунки → грань
- Планарные графы и плоские рисунки → формула Эйлера
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами
Объясните формулу Эйлера на квадрате с одной диагональю: посчитайте вершины, рёбра, две внутренние и внешнюю грани и покажите, почему результат равен двум.
В хорошем объяснении есть:
- Внешняя грань включена вместе с двумя внутренними треугольниками.
- Числа 4 − 5 + 3 подставлены для плоского, а не произвольного пересекающегося рисунка.
Свойство графа и свойство рисунка
Планарный граф можно нарисовать на плоскости так, чтобы рёбра встречались только в общих концах. Плоский граф — уже выбранное такое представление. Пересечение в одном неудачном рисунке не доказывает непланарности: рёбра можно изогнуть или вершины переставить.
Области, на которые рисунок разделяет плоскость, называют гранями. Неограниченная внешняя область тоже считается гранью. Для связного конечного плоского графа число вершин минус число рёбер плюс число граней равно 2. Это формула Эйлера, не критерий эйлерова обхода.
Откуда берётся формула
Для дерева рёбер на единицу меньше вершин и грань одна. Если к связному плоскому рисунку добавлять рёбра внутри граней, не создавая пересечений, каждое новое ребро, замыкающее цикл, делит одну грань на две. Числа рёбер и граней растут вместе, поэтому разность сохраняется.
Для простого планарного графа с не менее чем тремя вершинами следует ограничение . Оно быстро исключает слишком плотные графы, но прохождение этой проверки само по себе планарность не доказывает.
Три примера
- У треугольника три вершины, три ребра и две грани — внутренняя и внешняя. Получаем .
- Квадрат с одной диагональю имеет четыре вершины, пять рёбер, две внутренние треугольные грани и внешнюю: .
- Полный граф на пяти вершинах имеет рёбер. Для планарности требовалось бы не более . Значит он непланарен.
Осторожно с условиями
Для несвязного плоского графа с компонентами формула имеет вид . Ограничение числа рёбер выше требует простоты: петли и повторные рёбра меняют оценку. Не называйте пересечение рёбер вершиной без изменения модели. Непланарность — невозможность любого правильного рисунка, а не неудобство текущей схемы.
Формула, смысл и ограничения
Главные формулы с расшифровкой
Формула словами: Для связного конечного графа, нарисованного на плоскости без пересечений рёбер; внешняя грань включена.
Формула словами: Необходимое условие планарности простого графа при |V| ≥ 3; оно не является достаточным.
От простого к сложному
Проверьте себя
Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.
Открываем задание…
Открываем задание…
Открываем задание…
Изучить дальше
Источники и соглашения
Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.
- ФРП «Математика», углублённый уровень, 7–9 классы, 2025; уточнение уровня — в тексте статьи (откроется в новой вкладке)
- ФРП «Математика», углублённый уровень, 10–11 классы, 2025 (откроется в новой вкладке)
- MIT OCW: Mathematics for Computer Science, 2015 — логика, подсчёт и графы (откроется в новой вкладке)