因子臨界グラフ

同義語:因子臨界factor-critical graph

概要

因子臨界グラフ(factor-critical graph)とは、どの 1 頂点を取り除いても残りが完全マッチングをもつ有限グラフである。頂点数は奇数で、グラフは連結であり、奇閉路、頂点数が奇数の完全グラフ、Petersen グラフから 1 頂点を除いたグラフなどが例である。1 頂点から始めて奇数長の耳(両端だけを共有する道か、1 頂点だけを共有する閉路)を次々に加えて組み立てられることと同値である(Lovász の定理)。Gallai–Edmonds の分解定理や Edmonds の花アルゴリズムで、最大マッチングの構造を担う。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: マッチング(グラフ理論), Tutteの定理, 閉路

因子臨界グラフ(factor-critical graph)とは、どの 1 頂点を取り除いても残りのグラフが完全マッチングをもつグラフである。頂点数が奇数のグラフはそれ自身は完全マッチングをもたないが、因子臨界グラフでは、どの頂点を 1 つ余らせても残りの頂点をすべて辺で組にできる。奇数長の閉路、頂点数が奇数の完全グラフ、Petersenグラフ から 1 頂点を除いたグラフなどが例である。
因子臨界グラフは、一般のグラフの最大マッチングの構造に現れる。Gallai–Edmondsの分解定理 では、ある最大マッチングで飽和されない頂点の集合の各成分が因子臨界であり、Edmondsの花アルゴリズム が縮める奇閉路(花)も因子臨界グラフである。この記事では、基本性質と Tutte の条件・最大マッチングによる言い換えを述べたあと、主定理として、グラフが因子臨界であることと、1 頂点から始めて奇数長の「耳」を次々に付け加えて組み立てられることが同値であるという L. Lovász の定理(1972 年。Seb19 p. 2)を証明する。

定義

この記事のグラフは有限の単純無向グラフ $G=(V,E)$ とする。マッチング、飽和、完全マッチング、最大マッチング、マッチング数 $\nu(G)$ の用語は マッチング(グラフ理論) に従う。$X\subset V$ について $G-X$ は $V\setminus X$ 上の誘導部分グラフで、$G-v:=G-\{v\}$ と書く。ちょうど 1 頂点だけを飽和しないマッチングを ほぼ完全マッチング(near-perfect matching)という。

因子臨界グラフ

頂点を 1 つ以上もつグラフ $G$ が 因子臨界(factor-critical)であるとは、$G$ のどの頂点 $v$ についても $G-v$ が完全マッチングをもつことをいう。

$G-v$ の完全マッチングは、$G$ の $v$ だけを飽和しないほぼ完全マッチングと同じものである。したがって $G$ が因子臨界であることは、「どの頂点 $v$ についても、$v$ だけを飽和しないほぼ完全マッチングがある」と言い換えられる。
1 頂点のグラフ $K_1$ は因子臨界である($K_1-v$ は頂点のないグラフで、空集合が完全マッチングである)。長さ $2m+1$ の閉路 $C_{2m+1}$ から 1 頂点を除くと $2m$ 頂点の道が残り、その辺を 1 本おきにとれば完全マッチングになるので、$C_{2m+1}$ は因子臨界である。$G$ が因子臨界なら、$G$ に同じ頂点集合の上で辺を加えたグラフも因子臨界である(完全マッチングはそのまま残る)。

基本性質

$G=(V,E)$ を因子臨界グラフとする。

  1. $|V|$ は奇数である。とくに $G$ 自身は完全マッチングをもたない。
  2. $G$ は連結である。
  3. $|V|\ge3$ ならば、すべての頂点の次数は $2$ 以上である。

1:頂点 $v$ をとると、$G-v$ の完全マッチングは $|V|-1$ 個の頂点を 2 個ずつ組にするので、$|V|-1$ は偶数である。完全マッチングをもつグラフの頂点数は偶数なので、$G$ は完全マッチングをもたない。
2:$G$ が 2 つ以上の連結成分(グラフ)をもつとし、成分 $K$ を 1 つとる。$K$ の外の頂点 $v$ をとると、$K$ は $G-v$ の成分でもあり、$G-v$ の完全マッチングの辺は成分の中にあるので、$K$ の頂点数は偶数である。どの成分 $K$ にも外の頂点があるので、すべての成分の頂点数が偶数となり、$|V|$ が奇数であることに反する。
3:次数 $0$ の頂点は、2 により $|V|=1$ のときしかない。次数 $1$ の頂点 $x$ があり、その唯一の隣接頂点を $y$ とする。$G-y$ では $x$ は孤立点なので、$G-y$ の完全マッチングは $x$ を飽和できず矛盾する。$\square$

言い換え

因子臨界性は、Tutteの定理 の Tutte の条件と、最大マッチングで飽和されない頂点の言葉でも述べられる。$H$ の連結成分のうち頂点数が奇数のものの個数を $o(H)$ と書く(Tutteの定理 の定義「奇成分と Tutte の条件」)。

Tutteの条件による言い換え

頂点を 1 つ以上もつグラフ $G=(V,E)$ について、次は同値である。

  1. $G$ は因子臨界である。
  2. 空でないすべての $S\subset V$ について $o(G-S)\le|S|-1$ が成り立つ。
頂点を1つ含む集合に分ける

頂点 $v$ を固定する。$(G-v)-T=G-(T\cup\{v\})$ なので、Tutteの定理 の主定理「Tutte の定理」を $G-v$ に当てると、$G-v$ が完全マッチングをもつことは、すべての $T\subset V\setminus\{v\}$ について $o\bigl(G-(T\cup\{v\})\bigr)\le|T|$ であることと同値である。$S:=T\cup\{v\}$ とおけば $|T|=|S|-1$ であり、$T$ が $V\setminus\{v\}$ の部分集合を動くとき $S$ は $v$ を含む $V$ の部分集合をちょうど 1 回ずつ動く。よって $G-v$ が完全マッチングをもつことは、$v$ を含むすべての $S\subset V$ について $o(G-S)\le|S|-1$ であることと同値である。これをすべての $v$ についてあわせると、空でないすべての $S$ についての条件 2 になる。$\square$

条件 2 で $S=\{v\}$ とおくと $o(G-v)=0$、すなわち $G-v$ のどの成分も頂点数が偶数である。これは prop-fc-basic の 1・2 の議論と同じ内容である。
$G$ の頂点 $v$ を飽和しない最大マッチングがあるような $v$ の全体を $D(G)$ と書く(Gallai–Edmondsの分解定理 の定義「分解の 3 つの集合」)。

最大マッチングによる言い換え

頂点を 1 つ以上もつグラフ $G=(V,E)$ について、次は同値である。

  1. $G$ は因子臨界である。
  2. $G$ は連結で、$D(G)=V$ である。すなわち、どの頂点にも、それを飽和しない最大マッチングがある。
最大マッチングの大きさを数える

1 ⇒ 2:$|V|=2k+1$ とすると(prop-fc-basic の 1)、どのマッチングも偶数個の頂点しか飽和しないので $\nu(G)\le k$ であり、$G-v$ の完全マッチングは大きさ $k$ で $v$ を飽和しない最大マッチングである。連結性は prop-fc-basic の 2 による。
2 ⇒ 1 は Gallai の補題であり、この記事では証明しない(証明は Gallai–Edmondsの分解定理 の補題「Gallai の補題」)。$\square$

2 の連結性は外せない。2 つの三角形の交わりのない和 $2K_3$ では、最大マッチングは各三角形から 1 本ずつの辺からなり、どの頂点もそれを避ける選び方があるので $D=V$ であるが、頂点数 $6$ は偶数なので因子臨界でない。

耳分解

奇閉路に、両端を共有する奇数長の道を付け加えても因子臨界性は保たれる。この操作を繰り返してグラフを組み立てるのが耳分解である。

耳と耳分解

$H$ をグラフ $G$ の部分グラフとする。

  1. $G$ の道 $x_0x_1\cdots x_\ell$($\ell\ge1$)で、$x_0\ne x_\ell$ がともに $V(H)$ に属し、$x_1,\dots,x_{\ell-1}$ がどれも $V(H)$ に属さず、$\ell=1$ のときは辺 $x_0x_1$ が $H$ の辺でないものを、$H$ の 開いた耳(open ear)という。
  2. $G$ の閉路 $x_0x_1\cdots x_\ell$($x_\ell=x_0$、$\ell\ge3$)で、$x_0$ だけが $V(H)$ に属するものを、$H$ の 閉じた耳(closed ear)という。
    どちらの場合も $\ell$ を耳の 長さ、$x_1,\dots,x_{\ell-1}$ を耳の 内部の頂点 という。$H$ と耳 $P$ の和(頂点集合・辺集合の和をとったグラフ)を $H\cup P$ と書く。$G$ の部分グラフの列
    $$ G_0\subset G_1\subset\cdots\subset G_r=G $$
    で、$G_0$ が 1 頂点だけからなり、各 $i\ge1$ について $G_i=G_{i-1}\cup P_i$($P_i$ は $G_{i-1}$ の開いた耳か閉じた耳)となるものを、$G$ の 耳分解(ear decomposition)といい、$P_1,\dots,P_r$ をその耳という。すべての耳の長さが奇数である耳分解を 奇耳分解(odd ear decomposition)という。

$G_0$ は 1 頂点なので、最初の耳 $P_1$ は閉じた耳、すなわち閉路である。閉路から始めて耳を付け加える流儀もあり(Seb19 p. 2)、$G$ が 2 頂点以上なら同じことである。ただしその流儀で奇耳分解を考えるときは、最初の閉路の長さも奇数とする(そうしないと、耳を 1 つも加えない偶数長の閉路が、すべての耳が奇数長の耳分解をもつことになる)。

耳の個数と閉路

グラフ $G=(V,E)$ が $r$ 個の耳をもつ耳分解をもつとする。

  1. $r=|E|-|V|+1$ である。とくに耳の個数は耳分解の選び方によらない。
  2. $G$ は連結であり、$|V|\ge2$ ならば $G$ のどの辺もある閉路の上にある。

1:長さ $\ell$ の耳は、開いていても閉じていても、$\ell$ 本の辺と $\ell-1$ 個の内部の頂点を加える。よって 1 つの耳ごとに「辺の本数 $-$ 頂点の個数」はちょうど $1$ 増える。$G_0$ では $0-1=-1$ なので、$G_r=G$ では $|E|-|V|=-1+r$ である。
2:$i$ についての帰納法で、$G_i$ が連結で、$G_i$ のどの辺も $G_i$ の閉路の上にあることを示す($i=0$ では辺がない)。閉じた耳 $P_i$ は $G_{i-1}$ の頂点 1 個を含む閉路なので、$G_i$ は連結で、$P_i$ の辺は $P_i$ の上にある。開いた耳 $P_i$ の端点を $a\ne b$ とすると、$G_{i-1}$ は連結なので $G_{i-1}$ に $a$ から $b$ への道 $Q$ がある。$Q$ の辺は $G_{i-1}$ の辺で $P_i$ の辺は $G_{i-1}$ の辺でなく、$Q$ と $P_i$ の共有点は $a,b$ だけなので、$Q$ と $P_i$ をつないだものは閉路である。$\square$

まず、奇数長の耳を加えても因子臨界性が保たれることを示す。

奇数長の耳を加える

$H$ を因子臨界グラフ、$P$ を $H$ の長さが奇数の耳(開いていても閉じていてもよい)とする。このとき $H\cup P$ は因子臨界である。

耳の辺を1本おきにとる

$P=x_0x_1\cdots x_\ell$、$\ell=2s+1$ とする(閉じた耳なら $x_\ell=x_0$)。内部の頂点は $x_1,\dots,x_{2s}$ の $2s$ 個である。$H\cup P$ の頂点 $z$ をとり、$z$ だけを飽和しないほぼ完全マッチングを作る。

  • $z\in V(H)$ のとき:$H-z$ の完全マッチングに、$x_1x_2,\ x_3x_4,\ \dots,\ x_{2s-1}x_{2s}$ を加える。
  • $z=x_i$ で $i$ が奇数のとき:$x_1x_2,\dots,x_{i-2}x_{i-1}$ と $x_{i+1}x_{i+2},\dots,x_{2s}x_{2s+1}$($x_1,\dots,x_{i-1}$ は $i-1$ 個、$x_{i+1},\dots,x_{2s+1}$ は $2s+1-i$ 個で、どちらも偶数個)に、$H-x_\ell$ の完全マッチングを加える。
  • $z=x_i$ で $i$ が偶数のとき:$x_0x_1,\dots,x_{i-2}x_{i-1}$ と $x_{i+1}x_{i+2},\dots,x_{2s-1}x_{2s}$($x_0,\dots,x_{i-1}$ は $i$ 個、$x_{i+1},\dots,x_{2s}$ は $2s-i$ 個)に、$H-x_0$ の完全マッチングを加える。
    どの場合も、加えた $P$ の辺は $H$ の頂点を高々 1 つ($x_0$ か $x_\ell$)しか使わず、その頂点は $H$ のマッチングで飽和されない頂点なので、全体はマッチングであり、$z$ 以外のすべての頂点を飽和する。$\square$
Lovászの耳分解定理

頂点を 1 つ以上もつグラフ $G=(V,E)$ について、次は同値である。

  1. $G$ は因子臨界である。
  2. $G$ は奇耳分解をもつ。
    さらに、$G$ が因子臨界なら、どの頂点 $v$ についても、$G_0$ が $v$ だけからなる奇耳分解がある。
ほぼ完全マッチングを耳の内部に保つ

2 ⇒ 1:奇耳分解 $G_0\subset\cdots\subset G_r=G$ をとる。$G_0=K_1$ は因子臨界であり、lem-fc-add-ear により $G_{i-1}$ が因子臨界なら $G_i$ も因子臨界である。
1 ⇒ 2:頂点 $v$ を固定し、$G-v$ の完全マッチング $M$ をとる。$M$ は $v$ だけを飽和しない。$G$ の部分グラフ $H$ で、次の 2 条件を満たすものを考える。
(a) $H$ は $v$ だけからなる $H_0$ から始まる奇耳分解をもつ。
(b) $M$ の辺で、一方の端点だけが $V(H)$ に属するものはない。
$H=H_0$ は (a)(b) を満たす($v$ は $M$ で飽和されない)。(a)(b) を満たす $H$ で $V(H)\ne V$ のものから、(a)(b) を満たし頂点が真に多い $H'$ を作る。
$G$ は連結(prop-fc-basic の 2)なので、$V(H)$ に属さない頂点 $y$ で、$V(H)$ のある頂点 $h$ と隣接するものがある。$G-y$ の完全マッチング $N$ をとり、頂点集合 $V$、辺集合 $M\triangle N$(対称差)のグラフを考える。各頂点には $M$ の辺と $N$ の辺が高々 1 本ずつ接続するので、このグラフの次数は $2$ 以下である。$v$ は $N$ だけで飽和されるので次数 $1$、$y$ は $M$ だけで飽和されるので次数 $1$、ほかの頂点は $M$ と $N$ の両方で飽和されるので次数 $0$ か $2$ である。よって $v$ を含む成分は道で、もう一方の端点は次数 $1$ の頂点 $y$ である。この道を
$$ v=q_0,\ q_1,\ \dots,\ q_t=y $$
とする。$v$ での辺は $N$ に属し、辺は $N$ と $M$ に交互に属するので、$q_kq_{k+1}$ は $k$ が偶数なら $N\setminus M$、奇数なら $M\setminus N$ に属する。$y$ での最後の辺は $M$ に属するので、$t$ は偶数である。
$q_j\notin V(H)$ となる最小の $j$ をとる($q_t=y$ なのでとれ、$j\ge1$)。辺 $q_{j-1}q_j$ は $V(H)$ とその外を結ぶので (b) により $M$ に属さず、$j-1$ は偶数、すなわち $j$ は奇数である。$t$ は偶数なので $j< t$ であり、$q_jq_{j+1}\in M$ である。(b) により、$M$ で $V(H)$ の外の頂点と組む頂点は $V(H)$ の外にあるので、$q_{j+1}\notin V(H)$ である。

  • 道が $V(H)$ に戻るとき:$l>j$ で $q_l\in V(H)$ となる最小の $l$ をとる。辺 $q_{l-1}q_l$ は (b) により $M$ に属さないので $l-1$ は偶数、$l$ は奇数であり、$q_{j+1}\notin V(H)$ から $l\ge j+2$ である。$P:=q_{j-1}q_j\cdots q_l$ は、相異なる端点 $q_{j-1},q_l$ が $V(H)$ に属し、内部の頂点 $q_j,\dots,q_{l-1}$ が $V(H)$ に属さない道で、長さ $l-j+1$ は $3$ 以上の奇数である。
  • 道が $V(H)$ に戻らないとき:$q_j,\dots,q_t$ はどれも $V(H)$ に属さない。$P:=q_{j-1}q_j\cdots q_t h$ とおく。$h\in V(H)$ は $q_j,\dots,q_t$ のどれとも異なり、長さ $t-j+2$ は $3$ 以上の奇数である。$h\ne q_{j-1}$ なら $P$ は開いた耳、$h=q_{j-1}$ なら閉じた耳である。
    どちらの場合も $P$ は $H$ の長さが奇数の耳で、内部の頂点は $q_j,q_{j+1},\dots,q_{j'}$($j$ は奇数、$j'$ は偶数)と並ぶ。辺 $q_jq_{j+1},q_{j+2}q_{j+3},\dots,q_{j'-1}q_{j'}$ は $M$ に属するので、内部の頂点は $M$ で内部の頂点どうしと組む。よって $H':=H\cup P$ は (a)(b) を満たし、$H$ より頂点が多い。
    これを繰り返すと、(a)(b) を満たし $V(H)=V$ である $H$ が得られる。$G$ の辺で $H$ の辺でないものは両端が $V(H)$ に属するので、長さ $1$ の開いた耳として 1 本ずつ加えられる。こうして $G$ の奇耳分解で、$G_0$ が $v$ だけからなるものが得られる。$\square$
橋をもたないこと

頂点数が $3$ 以上の因子臨界グラフでは、どの辺もある閉路の上にある。すなわち、取り除くと連結でなくなる辺(橋)はない。

thm-fc-lovasz により奇耳分解があるので、lem-fc-ear-count の 2 による。閉路の上の辺を除いても、その閉路の残りの道で両端が結ばれるので連結性は保たれる。$\square$

頂点数 $3$ 以上の因子臨界グラフは 2-連結とは限らない(ex-fc-examples の 4)。

縮約

Edmondsの花アルゴリズム は、奇閉路を 1 点に縮めて探索を続ける。因子臨界な部分グラフを縮めることと因子臨界性の関係は次のとおりである。$H$ を $G$ の部分グラフとするとき、$V(H)$ を 1 つの新しい頂点 $h$ に置き換えたグラフ $G/H$ を次で定める:頂点集合は $(V\setminus V(H))\cup\{h\}$、辺は $G-V(H)$ の辺と、$V(H)$ のある頂点と $G$ で隣接する $y\notin V(H)$ についての辺 $hy$ である。

因子臨界な部分グラフの縮約

$H$ をグラフ $G$ の因子臨界な部分グラフとする。$G/H$ が因子臨界ならば、$G$ も因子臨界である。

$G$ の頂点 $z$ をとる。$z\in V(H)$ のとき:$G/H-h=G-V(H)$ の完全マッチングに $H-z$ の完全マッチングを加えると、$G-z$ の完全マッチングになる。$z\notin V(H)$ のとき:$G/H-z$ の完全マッチング $N$ で $h$ と組む頂点を $y$ とし、$y$ と $G$ で隣接する $x\in V(H)$ をとる。$N$ の辺 $hy$ を $G$ の辺 $xy$ に置き換え、$H-x$ の完全マッチングを加えると、$G-z$ の完全マッチングになる。$\square$

逆は成り立たない。道 $v_1v_2v_3v_4$ のすべての頂点を頂点 $c$ と結んだ 5 頂点のグラフ(車輪グラフ の扇 $F_4$)は長さ $5$ の閉路 $c,v_1,v_2,v_3,v_4,c$ を含むので因子臨界であるが、三角形 $H=cv_2v_3$ を縮めると、$h$ が $v_1,v_4$ と隣接し $v_1,v_4$ は隣接しない道 $P_3$ になり、因子臨界でない。

例

因子臨界グラフの例
  1. 奇閉路 $C_{2m+1}$:定義の直後に見たとおり因子臨界で、閉じた耳 1 個からなる奇耳分解をもつ。
  2. 奇数長の Hamilton 閉路をもつグラフ:頂点数が奇数で Hamilton閉路 をもつグラフは、全域部分グラフとして奇閉路を含むので因子臨界である。頂点数が奇数の完全グラフ $K_{2m+1}$、外周の頂点数が偶数の車輪グラフ $W_{2m}$(ハブ $h$ と外周 $v_1,\dots,v_{2m}$。閉路 $h,v_1,\dots,v_{2m},h$ の長さは $2m+1$)がこれに当たる。
  3. Petersen グラフから 1 頂点を除いたグラフ:Petersen グラフ $P$ は頂点数 $10$ なので因子臨界でないが、どの頂点 $x$ についても $P-x$ は 9 頂点の Hamilton 閉路をもつ(Petersenグラフ の命題「低 Hamilton 性」)ので、2 により因子臨界である。$P-x$ は 9 頂点・12 辺で、lem-fc-ear-count により奇耳分解の耳の個数は $12-9+1=4$ である。
  4. 風車:$k\ge2$ 個の三角形 $cx_iy_i$($i=1,\dots,k$)を頂点 $c$ だけで共有させたグラフ。$c$ を除くと $k$ 本の辺 $x_iy_i$ が完全マッチングになり、$x_i$ を除くと $cy_i$ とほかの $x_jy_j$($j\ne i$)が完全マッチングになる($y_i$ も同じ)。よって因子臨界で、$c$ から始まる長さ $3$ の閉じた耳 $k$ 個が奇耳分解を与える。$c$ を除くと連結でなくなるので 2-連結でなく、Hamilton 閉路ももたない。

$W_{2m}$ の奇耳分解の一つは、閉じた耳 $h,v_1,v_2,h$、開いた耳 $v_2v_3v_4h,\ v_4v_5v_6h,\ \dots,\ v_{2m-2}v_{2m-1}v_{2m}h$(長さ $3$ が $m-1$ 個)、残りの $m$ 本の辺 $hv_3,hv_5,\dots,hv_{2m-1},v_{2m}v_1$(長さ $1$)である。耳は $1+(m-1)+m=2m$ 個で、$|E|-|V|+1=4m-(2m+1)+1$ に一致する。

反例

次の表は、各行で仮定を 1 つだけ外したときに結論が成り立たなくなる例である。

外す条件反例成り立たなくなること
thm-fc-lovasz の 2 の「耳の長さが奇数」本のグラフ $B$ と、長さ $3,2,2$ の耳からなる耳分解因子臨界であること
lem-fc-add-ear の「$H$ が因子臨界」$H=K_2$(辺 $ab$)と長さ $3$ の開いた耳 $axyb$$H\cup P$ が因子臨界であること
prop-fc-contract の「$H$ が因子臨界」閉路 $C_4$ と、その 1 辺からなる $H$$G$ が因子臨界であること
prop-fc-gallai の 2 の「連結」三角形 2 つの交わりのない和 $2K_3$$G$ が因子臨界であること
反例の確かめ

1 行目:$B$ は、隣接する 2 頂点 $a,b$ と、$a,b$ の両方とだけ隣接する 3 頂点 $c,d,e$ からなる 5 頂点のグラフである。$G_0=\{a\}$、閉じた耳 $abca$(長さ $3$)、開いた耳 $adb$、$aeb$(長さ $2$)は耳分解である。$B-a$ は $b$ を中心とする星 $K_{1,3}$ で、どのマッチングも辺 1 本なので完全マッチングをもたない。よって $B$ は頂点数が奇数でも因子臨界でない。
2 行目:$K_2$ は頂点数が偶数なので因子臨界でない。$K_2\cup P$ は閉路 $a,x,y,b,a$、すなわち $C_4$ で、頂点数 $4$ が偶数なので因子臨界でない。
3 行目:$C_4$(頂点 $1,2,3,4$)と $H=$ 辺 $12$ について、$G/H$ では $h$ が $3,4$ と隣接し $3,4$ も隣接するので三角形で、因子臨界である。$C_4$ は頂点数が偶数なので因子臨界でない。
4 行目:prop-fc-gallai の直後に見た。

prop-fc-basic と cor-fc-bridgeless の必要条件を重ねても、因子臨界であることは従わない。

みたす性質例因子臨界でない理由
頂点数が奇数で連結道 $P_3$中央の頂点を除くと孤立点が 2 つ残る
さらに最小次数 $2$ 以上2 つの三角形を長さ $2$ の道で結んだ 7 頂点のグラフ道の中央の頂点を除くと三角形 2 つが残る
さらに 2-連結完全二部グラフ $K_{2,3}$2 頂点の側の頂点を除くと $K_{1,3}$ が残る

2 行目のグラフは橋をもつ(cor-fc-bridgeless)。3 行目は、より一般に、頂点数 $2$ 以上の二部グラフは因子臨界でないことの例である(Gallai–Edmondsの分解定理 の補足「二部グラフ」)。

補足

名前と文献
  • Die25 §2.2(p. 45)は、因子臨界を「完全マッチングをもたず、どの頂点 $v$ についても $G-v$ が完全マッチングをもつ空でないグラフ」と定める。prop-fc-basic の 1 により、この記事の定義と同じである。同書はこの概念を使って Gallai–Edmonds の構造定理の弱い形(Theorem 2.2.3、p. 45)を述べている。
  • thm-fc-lovasz は L. Lovász(1972 年)による(Seb19 p. 2 は、閉路から始める耳分解の流儀で、グラフが因子臨界であることと、すべての耳が奇数長の耳分解をもつことが同値であるという Lovász の定理として引いている)。この記事の 1 ⇒ 2 の証明は、固定したほぼ完全マッチング $M$ を、組み立てる部分グラフの内部に保ちながら耳を見つける形にしたものである。
最大マッチングの構造との関係
  • Gallai–Edmondsの分解定理 の主定理の 1 は、ある最大マッチングで飽和されない頂点の集合 $D(G)$ の各成分が因子臨界であることを述べる。その証明の中心が prop-fc-gallai の 2 ⇒ 1(Gallai の補題)である。
  • Edmondsの花アルゴリズム の花は奇閉路、すなわち閉じた耳 1 個の因子臨界グラフである。prop-fc-contract は、花を縮めたグラフが因子臨界なら元のグラフも因子臨界であることを含む。
  • thm-fc-lovasz の証明は構成的で、$G-v$ と $G-y$ の完全マッチングがあれば耳を 1 つ見つけられる。

関連項目

参考文献

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