在无特殊说明下,本文所研究的连通图均是简单、有限、无向的.令是1个连通图.对1个点,点的开邻域用来表示,点的闭邻域用来表示.对于顶点子集且,集合的开邻域用来表示,集合的闭邻域用来表示.令表示图中点的度,显然.如果点在中只有1个邻点,那么点是叶子点.图中的一切叶子点用集合表示,,表示图中叶子点的个数.与叶子点相邻的点叫做支撑点,图中的一切支撑点用集合表示.假设在中是割点,则的连通分支数大于图的连通分支数.图中一切割点构成的集合由表示.度数大于1的点叫做内部点,图中一切内部点构成的集合用表示.是图的诱导子图,其中,集合是图的非空子集,诱导子图中的点集为集合,边集是由图中两端点均在集合中的那些边构成的全体.,是指的一条路,路是指1个顶点与边交错出现的非空有限序列,是指长度为的路,如是长度为0的路,即这条路只有1个点,是指长度为1的路,以此类推.表示连通图中两点之间的距离,距离是指点和点之间最短路的长度.图中长度为的一条路叫做图中的一条测地线.
若,则称集合为图的控制集,其中集合;图的阶数最小的控制集合中所包含点的个数被称为的控制数,用来表示;假如集合中的每个点都与集合()中的至少1个点相邻,则集合被称为图的全控制集;图中阶数最小的全控制集中所包含点的个数被称为图的全控制数,用来表示;若且集合中的诱导子图连通,则集合被称为图的1个连通控制集,图中阶数最小的连通控制集中所包含点的个数被称为图的连通控制数,用表示;若集合中的任意2个点和,在图中所有的-测地线上的所有点都属于集合,则被称为图的凸集;若集合既是图的凸集又是图的控制集,则被称为图的凸控制集;图中阶数最小的凸控制集中所包含的点的个数被称为图的凸控制数,用来表示;若集合中的任意2个点和,在图中存在一条-测地线,使得该测地线上的一切点都属于,则被称为图的弱凸集;若既是图的弱凸集又是图的控制集,则称为图的弱凸控制集;图中阶数最小的弱凸控制集中所包含的点的个数被称为的弱凸控制数,用来表示.
根据全控制数和弱凸控制数的定义可知
.令
,且至少存在
的1个分支
,使得
,
表示图
的最大度.边数等于顶点数的简单连通图称为单圈图,而边数等于顶点数加1的简单连通图称为双圈图.根据双圈图的2个圈的位置不同,双圈图可分为如下3种类型的双圈图:2个圈只有1个公共点的双圈图、2个圈有多个公共点的双圈图与无穷型双圈图
.无穷型双圈图
是指通过一条路径
连接2个不相交的圈
和
,
和
中的各一点是
的2个端点,其中,
和
是圈长分别为
的2个基本圈,路径
的长度为
.未解释的术语和符号见文献[
1].
图
的凸控制数以及弱凸控制数的概念由Topp
[2]首次给出,由此使得连通控制在通信网络设计中的应用得到了很大的提升. Raczek等
[3]讨论了图的卡氏积的弱凸控制数和凸控制数问题,得到了几类特殊环面的弱凸控制数和凸控制数.Arumugam等
[4]刻画了一类控制数和连通控制数相等的树.Chen等
[5]刻画了控制数和连通控制数相等的块图和仙人掌图.Chen
[6]刻画了全控制数和连通控制数相等的树和单圈图.文献[
7]讨论了在某一特定条件下双圈图的连通控制数和全控制数的问题,给出了它们相等的充分且必要条件.文献[
8]讨论了特殊图类的弱凸控制数.与此同时,对由控制参数所衍生的衍生控制数的研究也备受关注,如Aita等
[9]研究了安全全控制数,Sahin
[10]研究了双边控制数,Abiod等
[11]研究了图类的
-控制的界限.
1 相关引理
引理1[2],其中,
为任意的连通图.
引理2[5] 假设
是一单圈图,且圈
,若令圈
中一切2度点构成的集合为
,当且仅当以下条件成立时有
:
1) 中每个度数至少为2的点是支撑点;
2) 是连通的且;
3) 若或者,则中度数大于2的点均为支撑点;若,则中度数大于2的点中至少有1个点是支撑点.
引理3[5] 假设
是一包含圈
的单圈图,如果
且
,那么
当且仅当以下条件成立:
1) ;
2) 令,当时,有.
引理4[8] 对于阶数为
的任意树
,有
,其中,
是树
中叶子点的个数.
引理5[8] 当整数
时,有
;当整数
时,有
.
2 主要结果及证明
定理1 设是一无穷型双圈图且(),(), ,,.令中一切2度点构成集合,中一切2度点构成集合,则成立当且仅当以下条件成立:
1) 集合中度数至少为2的点均是支撑点;
2) 和都连通,;
3) 若或,或,则与中度数大于2的点是支撑点;若(),则()中度数大于2的点中至少有1个是支撑点.
证明 必要性.设图是一无穷型双圈图,且,令图的任意最小连通控制集为,则有.
若条件1)不成立,则是图的控制集,这里点是中度数至少为2的非支撑点,得出矛盾.
若条件2)不成立,如()是不连通的,集合包含()中至少1个分支的一切点,则是图的1个控制集,这里,得出矛盾.
假定集合与集合均是连通的,且或,不妨设或,则不包含或中2个相邻的点.如果,那么是的1个控制集(如果,那么是的1个控制集);假如,那么是的1个控制集(假如,那么是的1个控制集);假如,那么是的1个控制集(假如,那么是的1个控制集).以上都与条件矛盾.
3) 当(),(),如果()不是1个支撑点,则()是的1个控制集.(),那么或(或).假设()不是1个支撑点,那么()是的1个控制集.
如果(),和(和)都不是支撑点,那么()是的控制集.
上述几种情况,都可得基数为的控制集,这与前提矛盾.
充分性是显然的,满足1)、2)、3)这3个条件的双圈图的控制数等于连通控制数.
定理2、3、4分别给出和,和,和(和)是的充分必要条件.具体如下.
定理2 设图是无穷型双圈图,且,,,.令中一切2度点构成集合,中一切2度点构成集合,则成立当且仅当下述条件成立:
1) 中度数至少为2的点均是图的支撑点;
2) 、中有且只有1个度数至少为3的点,或与中每一个度数至少为3的点均为支撑点.
证明 必要性.设图是一无穷型双圈图,,,图的控制数等于其连通控制数,不妨令图的任意最小连通控制集为,.
若条件1)不成立, 则是图的1个控制集,是中度数至少为2的1个非支撑点,得出矛盾.
若条件2)不成立,令或包含多个度数至少为3的点,且在或中存在度数至少为3且不是支撑点的1个点.不妨假设和(和)是度数至少为3的点,()不是支撑点,那么是的1个控制集,得出矛盾.
充分性是显然的,若满足条件1)与2),则.
定理3 设是一无穷型双圈图,且,,,,.令中度数为2的一切点构成集合,中度数为2的一切点构成集合,则当且仅当下述条件成立:
1) 中一切度数至少为2的点均为支撑点;
2) 若或,则或者中其余的3个点均为支撑点;若或者,则或是连通的,且或所包含的点中至少有1个支撑点.
证明 必要性.设图是一无穷型双圈图,,,,令图的1个最小连通控制集为,则.
若条件1)不成立,则为图的1个控制集,是中度数至少为2的1个非支撑点,得出矛盾.
若条件2)不成立,不妨假定(),()中其他的3个点里至少有1个点不是支撑点.不妨假定(),()不是1个支撑点,因而()就是图的1个控制集.
若(),()是不连通的,中包含()的至少1个分支上的一切点,则是图的1个控制集,其中,得出矛盾,因而()是连通的.如果()中不包含支撑点,当()时,若(),则()是图的1个控制集;当()时,()是图的1个控制集,得出矛盾.
充分性显然成立,若满足条件1)与2),则.
定理4 设图是一无穷型双圈图,且,,,,.令的一切2度点构成集合,的一切2度点构成集合,那么当且仅当下列条件成立:
1) 中度数至少为2的一切点均为支撑点;
2) 仅有1个度数至少为3的点,或者的每一个度数至少为3的点均为支撑点;
3) 当时,有其他的3个点均为支撑点;当时,有是连通的,且所包含的点中至少有1个支撑点.
证明与上面定理2、定理3的证明类似,此处不再赘述.
定理5 设是一个树,若,则当且仅当.
证明 必要性.已知,当时,,则结论成立.当时,令是的一切分支,其中,是中的任意1个点,假设这一切分支都满足,那么是树中小于的全控制集,则,矛盾,于是至少存在1个分支使得,任意中的点都属于,则.
充分性.设是树的1个全控制集,是树的1个弱凸控制集,因为,所以,且支撑点一定在全控制集中去控制叶子点,则,因为中至少存在1个分支使得,是中的任意1个点,所以,则.因为,所以,即;全控制集只要在控制集的基础上满足中每一个点都至少与中的1个点相邻,而弱凸控制集是在控制集的基础上还要满足中任意2个点的至少1条最短路上的一切点都在中,则,因而.
定理6与定理7刻画的双圈图.具体如下.
定理6 设是一个无穷型双圈图,,,, 令中2度点构成集合,中2度点构成集合,若,则当且仅当.
证明 可知是的弱凸控制集. 必要性.令.
情形1 当时,有,则.
情形2 当时,对于任意的,令是的分支.如果的一切分支都满足,那么是图的全控制集,得出矛盾,于是的至少1个分支满足,.综上所述,.
充分性.假定是图的1个全控制集,,,对于任意点,由的定义得,因而.因为,可以得到,那么.根据全控制数和弱凸控制数的定义可知,.因此,.
定理7 设是1个含有个点的圈,当且仅当.
证明 充分性显然成立,当时,有.
必要性. 若,当时,有.若,则,得出矛盾.结合引理5可知,当时,有,得出矛盾,因而成立时有.
定理8 设是一无穷型双圈图,,,,.若,,则当且仅当以下条件成立:
1) ,;
2) ,.令,那么.
证明 必要性.令.当,时有,因此,.在这种情形下可得,令是的全控制集且.因此.
情形1 当时,如果存在1个点,那么由定理5可得,也是的全控制集.因此,,得出矛盾.
情形2 当时,且不是支撑点,.
情形2.1且都不是空集.
存在2个点,控制,控制,且.因此,是的1个全控制集且的基数不超过.由于,那么,得出矛盾.
情形2.2且是空集.
此时,,是的1个全控制集,则,得出矛盾.
情形2.3、中有且仅有一个是空集.
假设,那么且是的1个全控制集,则,得出矛盾.
情形3和中有且仅有1个点不属于,不妨设.此时不是1个支撑点且.
情形3.1.
此时存在1个点,且该点可控制.因此是的1个全控制集且基数不超过.那么,得出矛盾.
情形3.2.
此时,中无任何点可控制,则.因而,是图的1个基数不超过的全控制集.那么,得出矛盾.
充分性.在满足1)、2)条件时,由定理5可得,,.故有.
定理9 设是一无穷型双圈图,,,,,.那么
其中,是中一切点的个数,是中叶子点的个数.
证明 分以下3种情况讨论.
当、时,由弱凸控制数的定义并结合引理4与引理5,有.
当、时,若中有至少2个连续的2度点,则中有2个点不在的弱凸控制集内,因此.若中有2度点,但无连续的2度点,则有:①当时,有;②当时,有;若中无2度点,则由弱凸控制集的定义并结合引理4与引理5,有.
当,时,若或中有多于1个的连续2度点,则或中有2个点不在图的弱凸控制集内,因而;若或中有2个2度点,但无2个连续的2度点,则有:①当,时,有;②当, 时,有;③当,时,有.若至少有2个连续的2度点,有2度点但无2个连续的2度点,则有:①当,时,有;②当,时,有.若至少有2个连续的2度点,中无2度点,则当,时有.若有2度点但无2个连续的2度点,无2度点,则有:①当,时,有;②当,时,有.若和均无2个2度点,则由弱凸控制数的定义并结合引理4与引理5,有当,时,.
综上所述,.
定理10 设是一无穷型双圈图,,, . 如果,,其中,、分别是和中一切2度点构成的集合,那么.
证明 按照、中2度点的最长路进行讨论.由于,,因此,,由定理9可知.
令中最长路上点的个数为,中最长路上点的个数为.当,时,是的1个全控制集,其中,是中的点,是中的点,因此 ;当,时,是的1个全控制集,是中的点,是中的点,因此;当,时,是的1个全控制集,是中的点,是中的点,因此.
综上所述,.
定理11 设是一无穷型双圈图,,, .如果,且或,那么,其中,和分别指的是和中最长路上的点的个数.
证明 若或,则图中至少存在1个2度点.不妨假定是的1个2度点,是的1个2度点,因而、上的一切点均在图的弱凸控制集内,从而是的弱凸控制集,而(或)是的全控制集,因此.
定理12 设图是一无穷型双圈图,,,.令中一切2度点构成集合,中一切2度点构成集合.若,,,,,则当且仅当.
证明 显然,.
必要性.,假设此时存在1个点.根据定理5,有且是的1个全控制.
当时,是的1个全控制集,有,得出矛盾;当,那么和是的1个全控制集,因此, 得出矛盾;当与中仅有1个点不在集合中,不妨假设,则且是图的1个全控制集,因此,得出矛盾.
充分性.不妨令.
当时,得.根据定理5可知,,且是图的1个全控制集.若,则至少存在1个点使得是图的1个全控制集.由于,则也是的1个全控制集,得出矛盾.
当时,是的1个全控制集,,因此,.
当与中仅有1个点不在中时,假设,那么是的1个全控制集,因而,故.