图的着色

设 \(|V(G)|=n\)，考虑数学归纳法。

首先，\(n\leq 3\) 时，命题显然成立。

接下来，假设对于 \(n-1\) 时的命题成立，下面我们要逐步强化命题。

不妨只考虑 \(\Delta(G)\)- 正则图，因为对于非正则图来说，可以看作在正则图里删去一些边构成的，而这一过程并不会影响结论。

对于任意不是完全图也不是奇圈的正则图 G，任取其中一点 v，考虑子图 \(H:=G-v\)，由归纳假设知 \(\chi(H)\leq\Delta(H)=\Delta(G)\)，接下来我们只需证明在 H 中插入 v 不会影响结论即可。

令 \(\Delta:=\Delta(G)\)，设 H 染的 \(\Delta\) 种颜色分别为 \(c_1,c_2,\dots,c_{\Delta}\)，v 的 \(\Delta\) 个邻接点为 \(v_1,v_1,\dots,v_{\Delta}\)。不妨假设 v 的这些邻接点颜色两两不同，否则命题得证。

接下来我们设所有在 H 中染成 \(c_i\) 或 \(c_j\) 的点以及它们之间的所有边构成子图 \(H_{i,j}\)。不妨假设任意 2 个不同的点 \(v_i\)，\(v_j\) 一定在 \(H_{i,j}\) 的同一个连通分量中，否则若在两个连通分量中的话，可以交换其中一个连通分量所有点的颜色，从而 \(v_i\)，\(v_j\) 颜色相同。

这里的交换颜色指的是若图中只有两种颜色 a，b，那么把图中原来染成颜色 a 的点全部染成颜色 b，把图中原来染成颜色 b 的点全部染成颜色 a。

我们设上述连通分量为 \(C_{i,j}\)，那么 \(C_{i,j}\) 一定只能是 \(v_i\) 到 \(v_j\) 的路。因为 \(v_i\) 在 H 中的度为 \(\Delta-1\)，所以 \(v_i\) 在 H 中的邻接点颜色一定两两不同，否则可以给 \(v_i\) 染别的颜色，从而和 v 的其他邻接点颜色重复，所以 \(v_i\) 在 \(C_{i,j}\) 中邻接点数量为 1，\(v_j\) 同理。然后我们在 \(C_{i,j}\) 中取一条 \(v_i\) 到 \(v_j\) 的路，令其为 P，若 \(C_{i,j}\ne P\)，那么我们沿着 P 顺次给路上的点染色，设遇到的第一个度数大于 2 的点为 u，注意到 u 的邻接点最多只用了 \(\Delta-2\) 种颜色，所以 u 可以重新染色，从而使 \(v_i\)，\(v_j\) 不连通。

然后我们不难发现，对任意 3 个不同的点 \(v_i\)，\(v_j\)，\(v_k\)，\(V(C_{i,j})\cap V(C_{j,k})=\{v_j\}\)。

到这里我们对命题的强化工作就已经做完了。

接下来就很简单。首先，如果 v 的邻接点两两相邻，那么命题得证。不妨设 \(v_1\)，\(v_2\) 不相邻，在 \(C_{1,2}\) 中取 \(v_1\) 的邻接点 w，交换 \(C_{1,3}\) 中的颜色。得到的新图中，\(w\in V(C_{1,2})\cap V(C_{2,3})\)，矛盾。

至此命题证明完毕。

对于无自环无向图 G，设 \(V(G):=\{v_1,v_2,\dots,v_n\}\) 满足

\(\deg(v_i)\geq\deg(v_{i+1}),~\forall 1\leq i\leq n-1\)

令 \(V_0=\varnothing\), 我们取 \(V(G)\setminus\bigcup_{i=0}^{m-1} V_i\) 中的子集 \(V_m\), 其中的元素满足

1. \(v_{k_m}\in V_m\), 其中 \(k_m=\min\{k:v_k\notin\bigcup_{i=0}^{m-1} V_i\}\)

2. 若

   \(\{v_{i_{m,1}},v_{i_{m,2}},\dots,v_{i_{m,l_m}}\}\subset V_m,~i_{m,1}<i_{m,2}<\dots<i_{m,l_m}\)

   则 \(v_j\in V_m\) 当且仅当

   1. \(j>i_{m,l_m}\)
   2. \(v_j\) 与 \(v_{i_{m,1}},v_{i_{m,2}},\dots,v_{i_{m,l_m}}\) 均不相邻

显然若将 \(V_i\) 中的点染成第 i 种颜色，则该染色方案即为 Welsh–Powell 算法给出的方案，显然有

• \(V_1\neq\varnothing\)
• \(V_i\cap V_j=\varnothing\iff i\neq j\)
• \(\exists \alpha(G)\in\Bbb{N}^*,\forall i>\alpha(G),~s.t.~ V_i=\varnothing\)

我们只需要证明：

\(\bigcup_{i=1}^{\alpha(G)} V_i=V(G)\)

其中

\(\chi(G)\leq\alpha(G)\leq\max_{i=1}^n\min\{\deg(v_i)+1,i\}\)

上式左边的不等号显然成立，我们考虑右边。

首先我们不难得出：

若 \(v\notin\bigcup_{i=1}^mV_i\)，则 v 与 \(V_1,V_2,\dots,V_m\) 中分别至少有一个点相邻，从而有 \(\deg(v)\geq m\)

进而

\(v_j\in\bigcup_{i=1}^{\deg(v_j)+1}V_i\)

另一方面，基于序列 \(\{V_i\}\) 的构造方法，我们不难发现

\(v_j\in\bigcup_{i=1}^j V_i\)

两式结合即得证。

按照顺序在二分图中加边。

我们在尝试加入边 \((x,y)\) 的时候，我们尝试寻找对于 \(x\) 和 \(y\) 的编号最小的尚未被使用过的颜色，假设分别为 \(l_x\) 和 \(l_y\)。

如果 \(l_x=l_y\) 此时我们可以直接将这条边的颜色设置为 \(l_x\)。

否则假设 \(l_x<l_y\), 我们可以尝试将节点 \(y\) 连出去的颜色为 \(l_x\) 的边的颜色修改为 \(l_y\)。

修改的过程可以被近似的看成是一条从 \(y\) 出发，依次经过颜色为 \(l_x,l_y,\cdots\) 的边的有限唯一增广路。

因为增广路有限所以我们可以将增广路上所有的边反色，即原来颜色为 \(l_x\) 的修改为 \(l_y\)，原来颜色为 \(l_y\) 的修改为 \(l_x\)。

根据二分图的性质，节点 \(x\) 不可能为增广路节点，否则与最小未使用颜色为 \(l_x\) 矛盾。

所以我们可以在增广之后直接将连接 \(x\) 和 \(y\) 的边的颜色设为 \(l_x\)。

总构造时间复杂度为 \(O(nm)\)。

本题为笔者于 2018 年命制的集训队第一轮作业题。

首先我们可以发现答案下界为度数不为 k 倍数的点的个数。

下界的构造方法是对二分图进行拆点。

若 \(degree \bmod k \neq 0\), 我们将其拆为 \(degree/k\) 个度数为 k 的节点和一个度数为 \(degree \bmod k\) 的节点。

若 \(degree \bmod k = 0\), 我们将其拆为 \(degree/k\) 个度数为 k 的节点。

拆出来的点在原图中的意义相同，也就是说，在满足度数限制的情况下，一条边端点可以连接任意一个拆出来的点。

根据 Vizing 定理，我们显然可以构造出该图的一种 k 染色方案。

删边部分由于和 Vizing 定理关系不大这里不再展开。

有兴趣的读者可以自行阅读笔者当时写的题解。