1 平面的グラフから取り出す二つの事実
証明の出発点は、平面的グラフには次数の小さい頂点が必ず存在するという事実である。これは Euler の公式から導かれる辺の本数の評価の帰結である。この主張は先行記事では§D2.12 定理 3.6 の証明の内部にしか現れないので、本記事が独立した補題として立てる。
補題 1.1. 頂点を一つ以上もつ単純平面的グラフG G G には、次数が5 5 5 以下の頂点が存在する。
証明. G G G の頂点の個数をn n n 、辺の本数をm m m と書く。
n ≤ 2 n \le 2 n ≤ 2 のときは、G G G が単純なので各頂点の次数は1 1 1 以下であり、主張が成り立つ。
n ≥ 3 n \ge 3 n ≥ 3 とする。§D2.12 系 3.4 によりm ≤ 3 n − 6 m \le 3n - 6 m ≤ 3 n − 6 である。握手補題(§D2.7 定理 1.2 )により
∑ v ∈ V deg G ( v ) = 2 m ≤ 6 n − 12 < 6 n \sum_{v \in V} \deg_G(v) = 2m \le 6n - 12 < 6n v ∈ V ∑ deg G ( v ) = 2 m ≤ 6 n − 12 < 6 n が成り立つ。すべての頂点の次数が6 6 6 以上であると仮定すると∑ v ∈ V deg G ( v ) ≥ 6 n \sum_{v \in V} \deg_G(v) \ge 6n ∑ v ∈ V deg G ( v ) ≥ 6 n となり、この不等式に反する。よって次数が5 5 5 以下の頂点が存在する。▨
証明では、平面への描き方そのものについての事実も用いる。これらは位相幾何学に属する事実であり、本記事では証明せずに認めて用いる。
2 二色だけを用いる部分に沿って色を入れ替える
彩色を組み替える操作を定める。組み替えても正しい彩色のままであることが要点である。
定義 2.1. G G G の彩色c c c と二つの色i ≠ j i \ne j i = j に対し、色がi i i またはj j j である頂点の全体が誘導するG G G の部分グラフをG i , j G_{i,j} G i , j と書く。G i , j G_{i,j} G i , j の連結成分を、彩色c c c に関する( i , j ) (i, j) ( i , j ) -Kempe 鎖 (Kempe chain ) という。
補題 2.2. c c c をG G G の彩色、i ≠ j i \ne j i = j を二つの色、H H H を( i , j ) (i, j) ( i , j ) -Kempe 鎖とする。H H H の頂点についてだけ色i i i と色j j j を入れ替え、他の頂点の色を変えずに定めた割り当てをc ′ c' c ′ とすると、c ′ c' c ′ もG G G の彩色である。用いる色の集合は増えない。
証明. G G G の辺u v uv uv をとり、c ′ ( u ) ≠ c ′ ( v ) c'(u) \ne c'(v) c ′ ( u ) = c ′ ( v ) を示す。
u u u とv v v がともにH H H に属する場合を考える。c ′ c' c ′ はc c c の値に色i i i と色j j j の入れ替えという単射を施したものであるから、c ( u ) ≠ c ( v ) c(u) \ne c(v) c ( u ) = c ( v ) よりc ′ ( u ) ≠ c ′ ( v ) c'(u) \ne c'(v) c ′ ( u ) = c ′ ( v ) が従う。
u u u とv v v がともにH H H に属さない場合を考える。c ′ ( u ) = c ( u ) c'(u) = c(u) c ′ ( u ) = c ( u ) かつc ′ ( v ) = c ( v ) c'(v) = c(v) c ′ ( v ) = c ( v ) であるからc ′ ( u ) ≠ c ′ ( v ) c'(u) \ne c'(v) c ′ ( u ) = c ′ ( v ) である。
u ∈ H u \in H u ∈ H かつv ∉ H v \notin H v ∈ / H の場合を考える。u ∈ H u \in H u ∈ H よりc ( u ) ∈ { i , j } c(u) \in \{i, j\} c ( u ) ∈ { i , j } であり、色の入れ替えののちもc ′ ( u ) ∈ { i , j } c'(u) \in \{i, j\} c ′ ( u ) ∈ { i , j } である。ここでc ( v ) ∈ { i , j } c(v) \in \{i, j\} c ( v ) ∈ { i , j } であると仮定すると、v v v はG i , j G_{i,j} G i , j の頂点であり、辺u v uv uv はG i , j G_{i,j} G i , j の辺であるから、H H H がG i , j G_{i,j} G i , j の連結成分であることにより、v v v はu u u と同じ連結成分、すなわちH H H に属する。これはv ∉ H v \notin H v ∈ / H に反する。よってc ( v ) ∉ { i , j } c(v) \notin \{i, j\} c ( v ) ∈ / { i , j } であり、c ′ ( v ) = c ( v ) ∉ { i , j } c'(v) = c(v) \notin \{i, j\} c ′ ( v ) = c ( v ) ∈ / { i , j } である。c ′ ( u ) ∈ { i , j } c'(u) \in \{i, j\} c ′ ( u ) ∈ { i , j } であるからc ′ ( u ) ≠ c ′ ( v ) c'(u) \ne c'(v) c ′ ( u ) = c ′ ( v ) である。
u ∉ H u \notin H u ∈ / H かつv ∈ H v \in H v ∈ H の場合には、u u u とv v v の役割を入れ替えて同じ議論を行えばよい。
用いる色については、c ′ c' c ′ の値の全体はc c c の値の全体に含まれるので増えない。▨
3 五色定理
3.1 証明方針
頂点の個数についての累積帰納法で進む。補題 1.1 で得た次数5 5 5 以下の頂点v v v を取り除き、残りを5 5 5 色で塗る。v v v の隣接頂点に現れる色が4 4 4 種類以下であれば、残った色をv v v へ与えれば済む。問題は、v v v の次数がちょうど5 5 5 であり、隣接頂点に5 5 5 色すべてが現れる場合である。この場合には、隣接頂点の二つを同じ色にすることによって空きを作る。そのために、v v v のまわりの巡回順序で向かい合う二つの隣接頂点を選び、その二色だけを用いる Kempe 鎖(定義 2.1 )を調べる。二つが同じ Kempe 鎖に属さなければ、一方の Kempe 鎖で色を入れ替えることによって空きが生じる。二つが同じ Kempe 鎖に属する場合には、その Kempe 鎖とv v v が平面上の単純閉曲線をつくり、その内側と外側に残りの二つの隣接頂点が分かれることを用いて、別の二色について同じ操作を行う。
定理 3.1 (五色定理). すべての単純平面的グラフは5 5 5 -彩色可能である。
証明. 頂点の個数n n n についての累積帰納法(§D2.1 命題 1.2 )で示す。
n ≤ 5 n \le 5 n ≤ 5 のときは、すべての頂点に相異なる色を与えれば5 5 5 色以下で正しい彩色になる。
n ≥ 6 n \ge 6 n ≥ 6 とし、頂点の個数がn n n より少ないどの単純平面的グラフも5 5 5 -彩色可能であると仮定する。G G G を頂点の個数がn n n の単純平面的グラフとし、平面埋め込みを一つ固定する。補題 1.1 により、deg G ( v ) ≤ 5 \deg_G(v) \le 5 deg G ( v ) ≤ 5 である頂点v v v をとる。注意 1.2 (3) によりG − v G - v G − v は平面的であり、頂点の個数はn − 1 n - 1 n − 1 である。帰納法の仮定によりG − v G - v G − v の5 5 5 -彩色c c c が存在する。色は1 , 2 , 3 , 4 , 5 1, 2, 3, 4, 5 1 , 2 , 3 , 4 , 5 とする。
場合 1. v v v の隣接頂点に現れる色が4 4 4 種類以下であるとする。現れない色が少なくとも一つあるので、その色をv v v へ与えればG G G の5 5 5 -彩色が得られる。deg G ( v ) ≤ 4 \deg_G(v) \le 4 deg G ( v ) ≤ 4 のときは必ずこの場合になる。
場合 2. deg G ( v ) = 5 \deg_G(v) = 5 deg G ( v ) = 5 であり、隣接頂点に5 5 5 色すべてが現れるとする。注意 1.2 (2) により、v v v における辺の巡回順序に沿って隣接頂点をv 1 , v 2 , v 3 , v 4 , v 5 v_1, v_2, v_3, v_4, v_5 v 1 , v 2 , v 3 , v 4 , v 5 と並べる。仮定より五つの隣接頂点の色はすべて相異なるので、色の番号を付け替えることにより、c ( v t ) = t c(v_t) = t c ( v t ) = t (t = 1 , … , 5 t = 1, \dots, 5 t = 1 , … , 5 )としてよい。
G − v G - v G − v の彩色c c c に関する( 1 , 3 ) (1, 3) ( 1 , 3 ) -Kempe 鎖のうち、v 1 v_1 v 1 を含むものをH H H とする。
場合 2-a. v 3 ∉ H v_3 \notin H v 3 ∈ / H とする。補題 2.2 により、H H H の上で色1 1 1 と色3 3 3 を入れ替えて得られる割り当てc ′ c' c ′ もG − v G - v G − v の5 5 5 -彩色である。v 1 ∈ H v_1 \in H v 1 ∈ H であるからc ′ ( v 1 ) = 3 c'(v_1) = 3 c ′ ( v 1 ) = 3 であり、v 3 ∉ H v_3 \notin H v 3 ∈ / H であるからc ′ ( v 3 ) = 3 c'(v_3) = 3 c ′ ( v 3 ) = 3 のままである。v 2 , v 4 , v 5 v_2, v_4, v_5 v 2 , v 4 , v 5 の色は{ 1 , 3 } \{1, 3\} { 1 , 3 } に属さないので、H H H に属するかどうかによらず変わらない。したがってc ′ c' c ′ のもとでv v v の隣接頂点に現れる色は3 , 2 , 3 , 4 , 5 3, 2, 3, 4, 5 3 , 2 , 3 , 4 , 5 、すなわち{ 2 , 3 , 4 , 5 } \{2, 3, 4, 5\} { 2 , 3 , 4 , 5 } であり、色1 1 1 が現れない。v v v へ色1 1 1 を与えればG G G の5 5 5 -彩色が得られる。
場合 2-b. v 3 ∈ H v_3 \in H v 3 ∈ H とする。H H H は連結であるから、G 1 , 3 G_{1,3} G 1 , 3 の中にv 1 v_1 v 1 からv 3 v_3 v 3 への道P P P が存在する。P P P の頂点の色はすべて1 1 1 または3 3 3 である。ここでc ( v 2 ) = 2 c(v_2) = 2 c ( v 2 ) = 2 かつc ( v 4 ) = 4 c(v_4) = 4 c ( v 4 ) = 4 であるから、v 2 ∉ P v_2 \notin P v 2 ∈ / P かつv 4 ∉ P v_4 \notin P v 4 ∈ / P である。この二つを先に確かめておく。
固定した平面埋め込みにおいて、P P P を描く曲線に、辺v v 1 v v_1 v v 1 と辺v v 3 v v_3 v v 3 を描く曲線を継ぎ足すと、平面上の閉曲線C C C が得られる。P P P は道なので頂点が相異なり、v v v はG − v G - v G − v の頂点ではないのでP P P の上に無い。また埋め込みでは辺どうしが端点以外で交わらないので、C C C は単純閉曲線である。C C C の上にある頂点はv v v とP P P の頂点だけであるから、直前に確かめたことによりv 2 v_2 v 2 もv 4 v_4 v 4 もC C C の上に無い。
注意 1.2 (2) により、v v v の十分近くでは辺v v 1 v v_1 v v 1 と辺v v 3 v v_3 v v 3 がv v v のまわりを二つの部分に分け、巡回順序でv 1 v_1 v 1 とv 3 v_3 v 3 のあいだにあるv 2 v_2 v 2 への辺は一方の部分へ、v 4 v_4 v 4 とv 5 v_5 v 5 への辺は他方の部分へ出る。v v v の十分小さい近傍の中でC C C に属する点は、辺v v 1 v v_1 v v 1 と辺v v 3 v v_3 v v 3 の点だけであるから、この二つの部分は、その近傍からC C C を除いた集合にほかならない。v v v はC C C の上の点であるので、注意 1.2 (1) の局所的な分離により、その集合は内側に属する部分と外側に属する部分の二つへ分かれる。したがって、v v v の近くにおいてv 2 v_2 v 2 へ向かう辺の点とv 4 v_4 v 4 へ向かう辺の点は、C C C の内側と外側に分かれる。
辺v v 2 v v_2 v v 2 は、C C C を構成する辺v v 1 v v_1 v v 1 、辺v v 3 v v_3 v v 3 、およびP P P の各辺のいずれとも異なる。埋め込みでは相異なる辺が共通の端点以外で交わらず、v 2 v_2 v 2 がC C C の上に無いので、辺v v 2 v v_2 v v 2 がC C C と共有する点はv v v だけである。辺v v 4 v v_4 v v 4 についても、C C C を構成するどの辺とも異なり、v 4 v_4 v 4 がC C C の上に無いので、C C C と共有する点はv v v だけである。よって、辺v v 2 v v_2 v v 2 から端点v v v を除いた部分は連結でC C C と交わらず、平面からC C C を除いた集合の一つの連結成分に含まれる。辺v v 4 v v_4 v v 4 についても同じことが成り立つ。前段で二つの辺がv v v の近くで内側と外側に分かれることを見たので、v 2 v_2 v 2 はC C C の一方の側にあり、v 4 v_4 v 4 は他方の側にある。
いま、c c c に関する( 2 , 4 ) (2, 4) ( 2 , 4 ) -Kempe 鎖のうちv 2 v_2 v 2 を含むものをH ′ H' H ′ とし、v 4 ∈ H ′ v_4 \in H' v 4 ∈ H ′ であると仮定する。するとG 2 , 4 G_{2,4} G 2 , 4 の中にv 2 v_2 v 2 からv 4 v_4 v 4 への道Q Q Q が存在する。Q Q Q を描く曲線は、C C C の内側の点と外側の点を結ぶので、注意 1.2 (1) によりC C C と少なくとも一点を共有する。埋め込みでは相異なる辺が端点以外で交わらず、相異なる頂点は相異なる点に描かれているので、共有する点はQ Q Q とC C C に共通する頂点でなければならない。C C C の頂点はv v v とP P P の頂点である。Q Q Q はG − v G - v G − v の道であるからv v v を通らない。P P P の頂点の色は1 1 1 または3 3 3 、Q Q Q の頂点の色は2 2 2 または4 4 4 であるから、共通の頂点は存在しない。これは矛盾である。よってv 4 ∉ H ′ v_4 \notin H' v 4 ∈ / H ′ である。
補題 2.2 により、H ′ H' H ′ の上で色2 2 2 と色4 4 4 を入れ替えて得られる割り当てc ′ ′ c'' c ′′ もG − v G - v G − v の5 5 5 -彩色である。c ′ ′ ( v 2 ) = 4 c''(v_2) = 4 c ′′ ( v 2 ) = 4 であり、v 4 ∉ H ′ v_4 \notin H' v 4 ∈ / H ′ よりc ′ ′ ( v 4 ) = 4 c''(v_4) = 4 c ′′ ( v 4 ) = 4 のままである。v 1 , v 3 , v 5 v_1, v_3, v_5 v 1 , v 3 , v 5 の色は{ 2 , 4 } \{2, 4\} { 2 , 4 } に属さないので変わらない。したがってc ′ ′ c'' c ′′ のもとでv v v の隣接頂点に現れる色は{ 1 , 3 , 4 , 5 } \{1, 3, 4, 5\} { 1 , 3 , 4 , 5 } であり、色2 2 2 が現れない。v v v へ色2 2 2 を与えればG G G の5 5 5 -彩色が得られる。
いずれの場合もG G G の5 5 5 -彩色が得られたので、累積帰納法により、すべての単純平面的グラフは5 5 5 -彩色可能である。▨
証明の場合分けを、小さな平面グラフの上で追う。次の例では、辺を一本足すだけで場合 2-a から場合 2-b へ移ることを確かめる。
例 3.2 (車輪グラフによる場合 2-a と場合 2-b の追跡). 中心の頂点v v v と、v v v のまわりの閉路v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 1 v_1 v_2 v_3 v_4 v_5 v_1 v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 1 からなる車輪グラフをW W W と書く。W W W は頂点の個数が6 6 6 、辺の本数が10 10 10 の単純平面的グラフであり、deg W ( v ) = 5 \deg_W(v) = 5 deg W ( v ) = 5 、v v v における辺の巡回順序はv 1 , v 2 , v 3 , v 4 , v 5 v_1, v_2, v_3, v_4, v_5 v 1 , v 2 , v 3 , v 4 , v 5 である。W − v W - v W − v は閉路v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 1 v_1 v_2 v_3 v_4 v_5 v_1 v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 1 であり、c ( v t ) = t c(v_t) = t c ( v t ) = t (t = 1 , … , 5 t = 1, \dots, 5 t = 1 , … , 5 )はW − v W - v W − v の5 5 5 -彩色である。実際、閉路の各辺の両端の色は( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) 、( 2 , 3 ) (2,3) ( 2 , 3 ) 、( 3 , 4 ) (3,4) ( 3 , 4 ) 、( 4 , 5 ) (4,5) ( 4 , 5 ) 、( 5 , 1 ) (5,1) ( 5 , 1 ) であり、いずれも相異なる。v v v の隣接頂点に5 5 5 色すべてが現れるので、定理 3.1 の証明の場合 2 に入る。
場合 2-a が起きる例 。W W W を考える。G 1 , 3 G_{1,3} G 1 , 3 は色が1 1 1 または3 3 3 の頂点、すなわちv 1 v_1 v 1 とv 3 v_3 v 3 が誘導する部分グラフである。W − v W - v W − v でv 1 v_1 v 1 とv 3 v_3 v 3 は隣接しないのでG 1 , 3 G_{1,3} G 1 , 3 は辺をもたず、v 1 v_1 v 1 を含む( 1 , 3 ) (1,3) ( 1 , 3 ) -Kempe 鎖はH = { v 1 } H = \{v_1\} H = { v 1 } であってv 3 ∉ H v_3 \notin H v 3 ∈ / H である。H H H の上で色1 1 1 と色3 3 3 を入れ替えるとc ′ ( v 1 ) = 3 c'(v_1) = 3 c ′ ( v 1 ) = 3 となり、隣接頂点の色は順に3 , 2 , 3 , 4 , 5 3, 2, 3, 4, 5 3 , 2 , 3 , 4 , 5 になる。このc ′ c' c ′ はW − v W - v W − v の5 5 5 -彩色である(各辺の両端の色は( 3 , 2 ) (3,2) ( 3 , 2 ) 、( 2 , 3 ) (2,3) ( 2 , 3 ) 、( 3 , 4 ) (3,4) ( 3 , 4 ) 、( 4 , 5 ) (4,5) ( 4 , 5 ) 、( 5 , 3 ) (5,3) ( 5 , 3 ) )。色1 1 1 が現れないのでv v v へ色1 1 1 を与えると、v v v の色1 1 1 とその隣接頂点の色3 , 2 , 3 , 4 , 5 3, 2, 3, 4, 5 3 , 2 , 3 , 4 , 5 はすべて異なり、W W W の5 5 5 -彩色が得られる。
場合 2-b が起きる例 。W W W の外側の面に辺v 1 v 3 v_1 v_3 v 1 v 3 を描き加えたグラフをW ′ W' W ′ と書く。W ′ W' W ′ は頂点の個数が6 6 6 、辺の本数が11 11 11 の単純平面的グラフであり(3 ⋅ 6 − 6 = 12 ≥ 11 3 \cdot 6 - 6 = 12 \ge 11 3 ⋅ 6 − 6 = 12 ≥ 11 )、deg W ′ ( v ) = 5 \deg_{W'}(v) = 5 deg W ′ ( v ) = 5 と巡回順序はW W W のときと変わらない。c ( v t ) = t c(v_t) = t c ( v t ) = t はW ′ − v W' - v W ′ − v の5 5 5 -彩色である(加えた辺v 1 v 3 v_1 v_3 v 1 v 3 の両端の色は1 1 1 と3 3 3 で異なる)。いまG 1 , 3 G_{1,3} G 1 , 3 は辺v 1 v 3 v_1 v_3 v 1 v 3 をもつので連結であり、v 1 v_1 v 1 を含む( 1 , 3 ) (1,3) ( 1 , 3 ) -Kempe 鎖はH = { v 1 , v 3 } H = \{v_1, v_3\} H = { v 1 , v 3 } であってv 3 ∈ H v_3 \in H v 3 ∈ H である。すなわち場合 2-b に入る。道はP = v 1 v 3 P = v_1 v_3 P = v 1 v 3 であり、閉曲線C C C は辺v 1 v 3 v_1 v_3 v 1 v 3 、辺v v 1 v v_1 v v 1 、辺v v 3 v v_3 v v 3 を継いだものである。c ( v 2 ) = 2 c(v_2) = 2 c ( v 2 ) = 2 、c ( v 4 ) = 4 c(v_4) = 4 c ( v 4 ) = 4 であるからv 2 ∉ P v_2 \notin P v 2 ∈ / P かつv 4 ∉ P v_4 \notin P v 4 ∈ / P である。辺v 1 v 3 v_1 v_3 v 1 v 3 を外側の面のうちv 2 v_2 v 2 の側を回るように描くと、C C C はv 2 v_2 v 2 を囲み、v 4 v_4 v 4 とv 5 v_5 v 5 はC C C の外側にある。G 2 , 4 G_{2,4} G 2 , 4 はv 2 v_2 v 2 とv 4 v_4 v 4 が誘導する部分グラフであり、W ′ − v W' - v W ′ − v でv 2 v_2 v 2 とv 4 v_4 v 4 は隣接しないので、v 2 v_2 v 2 を含む( 2 , 4 ) (2,4) ( 2 , 4 ) -Kempe 鎖はH ′ = { v 2 } H' = \{v_2\} H ′ = { v 2 } であってv 4 ∉ H ′ v_4 \notin H' v 4 ∈ / H ′ である。H ′ H' H ′ の上で色2 2 2 と色4 4 4 を入れ替えるとc ′ ′ ( v 2 ) = 4 c''(v_2) = 4 c ′′ ( v 2 ) = 4 となり、隣接頂点の色は順に1 , 4 , 3 , 4 , 5 1, 4, 3, 4, 5 1 , 4 , 3 , 4 , 5 になる。このc ′ ′ c'' c ′′ はW ′ − v W' - v W ′ − v の5 5 5 -彩色である(各辺の両端の色は( 1 , 4 ) (1,4) ( 1 , 4 ) 、( 4 , 3 ) (4,3) ( 4 , 3 ) 、( 3 , 4 ) (3,4) ( 3 , 4 ) 、( 4 , 5 ) (4,5) ( 4 , 5 ) 、( 5 , 1 ) (5,1) ( 5 , 1 ) 、および( 1 , 3 ) (1,3) ( 1 , 3 ) )。色2 2 2 が現れないのでv v v へ色2 2 2 を与えると、W ′ W' W ′ の5 5 5 -彩色が得られる。
一本の辺を足しただけで、( 1 , 3 ) (1,3) ( 1 , 3 ) -Kempe 鎖が二つの成分から一つの成分へ変わり、場合 2-a から場合 2-b へ移った。
4 演習
問題 4.1.
定理 3.1 の証明の場合 2-b について、道P P P 、単純閉曲線C C C 、Kempe 鎖H ′ H' H ′ の三つを、v v v の隣接頂点の色を自分で指定したうえで構成し直し、v 4 ∉ H ′ v_4 \notin H' v 4 ∈ / H ′ を導く矛盾の道筋を最初から書き下せ。
同じ証明で、v 2 ∉ P v_2 \notin P v 2 ∈ / P かつv 4 ∉ P v_4 \notin P v 4 ∈ / P という一手を省くと、どの断定が根拠を失うかを述べよ。またこの一手の根拠がP P P の頂点の色の指定であることを、c ( v 2 ) c(v_2) c ( v 2 ) とc ( v 4 ) c(v_4) c ( v 4 ) の値を用いて説明せよ。
場合 2 で選ぶ二色の組を( 1 , 3 ) (1, 3) ( 1 , 3 ) と( 2 , 4 ) (2, 4) ( 2 , 4 ) ではなく( 1 , 2 ) (1, 2) ( 1 , 2 ) と( 3 , 4 ) (3, 4) ( 3 , 4 ) に取り替えると、証明のどの段階が成立しなくなるかを、v v v のまわりの巡回順序に即して述べよ。とくに、v 1 v_1 v 1 とv 2 v_2 v 2 から作った単純閉曲線がv 3 v_3 v 3 とv 4 v_4 v 4 を分離するかどうかを判定せよ。
補題 2.2 の証明を、u ∈ H u \in H u ∈ H かつv ∉ H v \notin H v ∈ / H の場合だけ再現せよ。H H H がG i , j G_{i,j} G i , j の連結成分であることを、どこで用いたかを明示せよ。H H H をG i , j G_{i,j} G i , j の連結とはかぎらない部分グラフに取り替えると主張が成り立たない例を、道P 3 P_3 P 3 の2 2 2 -彩色について一つ作れ。
補題 1.1 の証明でn ≤ 2 n \le 2 n ≤ 2 の場合を分けて扱う理由を、§D2.12 系 3.4 が課す仮定に即して述べよ。
§D2.12 定理 3.6 と定理 3.1 のそれぞれについて、平面性をどのような形で用いているかを一文ずつで述べ、注意 3.3 の指摘と対応づけよ。
注意 1.2 (3) を認めずに証明を進めることができるかどうかを判定せよ。判定にあたって、証明のどの行が 3 を用いているかを指摘せよ。
例 3.2 のW ′ W' W ′ について、加える辺をv 1 v 3 v_1 v_3 v 1 v 3 ではなくv 2 v 5 v_2 v_5 v 2 v 5 とし、同じく外側の面へ描いたグラフを考えよ。c ( v t ) = t c(v_t) = t c ( v t ) = t から出発したとき、場合 2-a と場合 2-b のどちらに入るかを判定し、v v v へ与える色を求めよ。
5 つまずいたら
Kempe 鎖は、二色だけを用いる誘導部分グラフの連結成分である。 G G G 全体の連結成分ではなく、色がi i i またはj j j である頂点が誘導する部分グラフG i , j G_{i,j} G i , j の連結成分である。この取り違えは補題 2.2 の証明の第三の場合を壊す。
色の入れ替えは Kempe 鎖の全体で行い、鎖の一部だけで行わない。 連結成分の途中で入れ替えを止めると、成分の内部の辺の両端が同じ色になる。
場合 2-b で用いるのは( 1 , 3 ) (1, 3) ( 1 , 3 ) -Kempe 鎖と( 2 , 4 ) (2, 4) ( 2 , 4 ) -Kempe 鎖の二つである。 前者は単純閉曲線C C C を作るために、後者は空きを作るために用いる。役割が異なる。
本文が位相的な事実を直接に用いる箇所は四つに限られる。 G − v G - v G − v が平面的であること(事実 3)、隣接頂点を巡回順序で並べ、v v v の近くで辺v v 1 v v_1 v v 1 と辺v v 3 v v_3 v v 3 がv v v のまわりを二つの部分に分けること(事実 2)、場合 2-b でv 2 v_2 v 2 へ向かう辺とv 4 v_4 v 4 へ向かう辺がC C C の内側と外側に分かれること(事実 1 の局所的な分離)、および場合 2-b で道Q Q Q がC C C と少なくとも一点を共有すること(事実 1 の Jordan 曲線定理)である。本文が直接に用いる事実は 1 から 3 の三つであり、そのうち事実 1 を二つの異なる向きで用いる。これに加えて、補題 1.1 が引く§D2.12 系 3.4 の証明が事実 4 と事実 1 を用いるので、依存を先行記事まで展開したときに認めて用いる事実は四つになる。それ以外の行は組合せ的な議論である。
6 扱った範囲と次の記事
本記事では、次数5 5 5 以下の頂点が存在すること、Kempe 鎖に沿った色の入れ替えが正しい彩色を保つこと、およびすべての有限単純平面的グラフが5 5 5 -彩色可能であることを証明した。ただし証明は注意 1.2 の四つの位相的な事実を外部文献の結果として用いており、この意味で本記事の依存はサイトの内部で閉じていない。したがって本記事の結論は、必修の記事の根拠には用いない。辺彩色、平面以外の曲面へ描いたグラフの彩色、および平面へ描くことができるかどうかの組合せ的な判定は扱っていない。次の記事では、彩色数の上界を4 4 4 まで下げる四色定理について、最小反例、不可避配置、放電規則および可約性検査が矛盾を導く証明構造を扱う。