8-1 Mantelの定理

$$\newcommand{abs}[1]{\left\lvert #1 \right\rvert} \newcommand{cG}[0]{\mathcal{G}} \newcommand{diam}[0]{\operatorname{Diam}} \newcommand{la}[0]{\leftarrow} \newcommand{lt}[0]{\left} \newcommand{Mod}[1]{\ \left(\mathrm{mod}\ #1\right)} \newcommand{mR}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{p}[0]{\prime} \newcommand{ra}[0]{\rightarrow} \newcommand{rad}[0]{\operatorname{rad}} \newcommand{rt}[0]{\right} $$

三角形を禁じると辺はいくつか

Mantelの定理。 三角形を持たない頂点数 $n$ の有限単純グラフの辺数 $E$ は $E\le\lfloor n^2/4\rfloor$。
証明。 辺 $uv$ の両端の近傍は三角形がないため交わらない。従って $d(u)+d(v)\le n$。全辺で足すと $\sum_vd(v)^2\le nE$。一方Cauchy–Schwarzで $(\sum_vd(v))^2=(2E)^2\le n\sum_vd(v)^2$。$E>0$ なら $4E^2\le n^2E$ より $E\le n^2/4$。$E=0$ も明らか。辺数は整数なので床を取る。□
二部完全グラフ $K_{\lfloor n/2\rfloor,\lceil n/2\rceil}$ は三角形がなく辺数が $\lfloor n^2/4\rfloor$ で、境界は達成される。これは三角形禁止の場合であり、長い閉路や任意の部分グラフを禁じる一般極値問題まで解いたものではない。
演習。 $n=5$ のとき最大辺数と達成例を挙げよ。
解答。 $\lfloor25/4\rfloor=6$。$K_{2,3}$ が6辺を持つ。

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グラフ理論 ― 連結性・木・マッチング・フロー・平面性・彩色の表紙
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