Карты метро и нейронные сети. Теория графов

Клауди Альсина

Если все грани многогранника — квадраты, то в его вершинах могут сходиться только три ребра, поэтому V₄ = V₅ = 0 и по формуле (*) 2С₄ = 12, то есть С₄ = 6. Таким образом, этот многогранник — куб.

Если все грани многогранника — правильные пятиугольники, то степень его вершин может равняться только 3. По формуле (*) С₅ = 12 — это додекаэдр.

* * *

ТОЧНЫЙ ПОДСЧЕТ

Пусть Р — выпуклый многогранник с r(Р) гранями. Рассмотрим

два его параметра:

r(Р) — количество натуральных чисел i, таких что в Р существует грань с i ребрами;

К(Р) — число сторон грани Р с наибольшим числом вершин или ребер.

Так, в кубе Р r(Р) = 1, К(Р) = 4. Для пирамиды Р, в основании которой лежит пятиугольник, r(Р) = 2, К(Р) = 5.

Если многоугольник Р имеет грань, число сторон которой равно К(Р), так как каждая из этих сторон является ребром другой грани, то общее число граней будет равно как минимум К(Р) + 1, то есть

С(Р) >= К(Р) + 1.

Так как r(Р) не может быть больше, чем число элементов множества {3, 4, 5, К(Р)}, то

r(Р) = < К(Р) — 2.

На основании вышеприведенных неравенств для С(Р) и r(Р) имеем:

С(Р) — r(Р) >= К(Р) + 1 — (К(Р) — 2) = 3.

Если бы все грани многогранника были бы различны, то выполнялось бы равенство С(Р) = r(Р) + 3, что невозможно.

* * *

Все стороны различаются между собой? Это невозможно!

Если вы не привыкли следовать правилам, то возможно, что вы задавались вопросом, существуют ли фигуры без повторяющихся элементов. Например, существует ли многогранник, все стороны которого являются различными многоугольниками: один треугольник, один четырехугольник, один пятиугольник и так далее. Это был бы образцовый многогранник — он мог бы поворачиваться разными сторонами и демонстрировать разные многоугольники. Живительно, но подобный многоугольник не может существовать. И этому есть очень красивое доказательство, в котором используются методы комбинаторики.

Представим на мгновение все возможные многогранники — правильные или неправильные. Если мы нарисуем все эти многогранники, то заметим, что всегда существует как минимум несколько граней, которые являются выпуклыми многоугольниками с одинаковым числом сторон. Чтобы ограничить многоугольниками какую-то область пространства, необходимо чтобы как минимум несколько из них повторялись.

Графы и мозаики

Рассмотрим три разных мозаики, которые представлены на рисунке. Все они, несомненно, знакомы вам, так как часто встречаются в повседневной жизни.

Это четырехугольная, треугольная и шестиугольная мозаики соответственно. Каждая из них представляет собой геометрический граф (определение геометрического графа приводилось выше). Число граней в этих графах может увеличиваться бесконечно: любым из этих графов можно заполнить всю плоскость. Заметим, что при увеличении мозаики для вершин, находящихся внутри, число ребер остается неизменным, и каждая грань ограничивается одним и тем же числом ребер за исключением бесконечно удаленных граней. Если на каждом шаге увеличения

мозаики мы будем подсчитывать число вершин V и число вершин V_c, расположенных на краю (во внешнем цикле графа), то увидим, что с ростом V отношение V_c/V стремится к нулю.

Это справедливо для всех трех рассмотренных типов мозаики. Далее мы продемонстрируем удивительный результат, основанный на следующем определении.

Правильная мозаика — это геометрический граф, который может покрыть плоскость; при этом число ребер а, сходящихся в каждой вершине, и число ребер Ь >= 3 каждой грани являются постоянными (за исключением внешних граней), причем V_c/V стремится к нулю.

Единственно возможными правильными мозаиками в соответствии с этим определением являются треугольная, четырехугольная и шестиугольная мозаики.

Пусть дана правильная мозаика М, которая имеет V вершин, А ребер и V_c граничных вершин. Тогда 2А < aV, так как aV — это общее число ребер, получаемое, если поставить в соответствие каждой вершине (включая граничные) а ребер.

Если же мы не будем учитывать ребра, которые выходят из граничных вершин, получим аV — aV_c < 2А.

Объединив эти два неравенства, имеем aV — aV_c < 2А < aV.

Разделим все части неравенства на

Перейдем к пределу. При V, стремящемся к бесконечности, V_c/V стремится к нулю:

Подсчитаем число граней С мозаики М. С — 1 грань будет иметь Ь ребер, бесконечно удаленная грань будет иметь V_c ребер. Следовательно,

(C — 1)b + V_c = 2А.

Разделив на bV, получим:

Перейдя к пределу при V, стремящемся к бесконечности, с учетом выражения (*) получим:

(**)

Так как мозаика М — это геометрический граф, для нее выполняется формула Эйлера, которую можно записать в следующем виде:

При переходе к пределу имеем:

Иными словами, постоянные а и Ь связывает равенство

2а + 2Ь = ab,