经典证明:列表染色与可选择数(下)

    我们上次说到,不是所有的平面图都是可4选择的。于是人们接着猜想,是不是所有平面图都是可5选择的呢?1994年,Carsten Thomassen证明了,所有平面图都是可5选择的。这个证明极其简单,论文全文不足两页,证明过程仅十多行。证明对平面图中的区域数n施归纳。有趣的是,归纳的命题比我们待证明的命题要强得多,否则原命题反而证不到。
    为简便起见,我们假设平面图是一般的,它没有同属于四块区域的交界点,也没有中空的“洞”。加入这些条件不会让问题变得更简单,因此这些假设都是合理的。下面再假设最外面那一圈区域(与“外部空间”相邻的区域)有s个,它们彼此相连构成了一个环,我们按逆时针顺序把它们分别记为P_1, P_2, P_3, …, P_s。无妨设P_1和P_2的颜色分别为1和2。下面我们证明一个比原命题更强的结论:若最外面那s个区域的颜色列表中至少有三个颜色,其余那些(被围在内部的)区域的颜色列表中有五个颜色,则一定存在合法的列表染色。当区域数n足够小时结论显然成立。


    考虑一般情况,如图1。我们标出P_s除了P_1和P_(s-1)以外的邻域,显然它们都是处于内部的、有五个候选颜色的区域。在图1中,s=11,P_11有三个处于内部的邻域T_1, T_2, T_3。现在,把P_11去掉,则剩下的图中P_1, P_2, …, P_10, T_3, T_2, T_1就是新的外围环。注意P_11本来有至少三个颜色可选,除去P_1的颜色,至少还有两种不同的颜色x和y。从T_1, T_2, T_3各自的颜色列表中去掉x和y(如果有的话),这样它们的候选颜色数仍然大于等于3。根据归纳假设,剩下的图存在合法的列表染色。最后,只需要把x或y分配给P_11,使得它和P_10的颜色不同就行了。

    一种特殊情况是,万一哪一步我们得到的外围环不是一个单纯的环(如图2)该怎么办?这也很简单,因为我们总可以把它们分解成若干个小环,然后按顺序逐一套用归纳假设。例如在图2中,无妨设P_1和P_2的颜色是已知的,由归纳假设可知环P_1, P_2, …, P_5, P_10及其内部存在合法的列表染色。这样,P_5和P_10的颜色就是确定的了,我们可以把归纳假设再次用于P_10, P_5, P_6, …, P_9及其内部所组成的图形。

    可以注意到,我们证明了一个更强的命题其实是不得已而为之,如果直接拿待证命题进行归纳反而推不出结论,因为减少候选颜色必然会破坏掉“有五种颜色”的限制。

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