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发表于 2026-7-1 07:10
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新二维平面图体系
朱火华)
摘要
本文建立独立构造图论范式。二维平面图:顶点置于平面,边允许交叉,重边、自环合法。以K_n环为统一构造舞台,无交叉完全三角剖分基底为中轴;核心操作外弦内化,参数m为外环顶点数。
本体系对外弦内化操作划定标准间隔为1,间隔≥2为异常操作:单次间隔≥2的异常外弦内化,必然且恰好生成一个围边≥4的内部孔洞,对应边数增量Δe = 1 = N_新 - 3、面数增量Δa = 1 = N_新 - 2。将所有异常操作效应累计修正后,总边数、总面数相对于无孔洞基准分别减去(N-3v)与(N-2v),由此直接推导出多孔洞通用公式。体系定义内部面数a不包含孔洞面,因此代入标准欧拉公式会产生1-v的偏移量;该偏移是本体系自定义规则带来的自洽结果,并非逻辑矛盾。
本体系存在严格对偶操作内弦外化:标准内弦外化仅在外环上执行减边操作;异常内弦外化则是跳入图内部,删除一条两端均在内部、或一端在内部的弦。单次该类异常减边会将一个内部顶点推回外环,撕裂原有三角剖分,必定生成一个围边≥4的孔洞;对应的面、边变化量与异常外弦内化完全对偶相等:Δa = N_新 - 2, Δe = N_新 - 3,修正项形式完全相同,统一汇入同一套多孔洞修正公式。连续多次执行跳进图内的异常内弦外化减边,可以累积生成v≥1个独立孔洞,每一次异常操作要么新增一个围边≥4的独立孔洞,或是扩大已有孔洞的围边顶点总数N。孔洞是由外弦内化添边异常或内弦外化减边异常造成的拓扑痕迹,两套拓扑扰动同出一源,构成完整对称闭合。
两条独立可逆路径:
1. 外弦内化路径:色数≤4,规范构造链边数区间 e∈[n-1, 3n-4];
2. 环内增边路径:可生成完全图K_n,色数最高n。
经典欧拉简单可平面图约束m≥3,上限3n-6;本体系允许m=2(重边)、m=1(自环),上限外推至3n-4。K_5,K_{3,3}合法但不适用外弦内化公式。体系仅选取各边值唯一规范代表图证明存在连续构造,不做全部同构图计数。
一、基础定义
n:总顶点数
m:外环边界顶点数,1≤m≤n
n-m:围内节点总数(不在外环上的内部顶点)
e:总边数(重边逐条计数,自环计1条边)
a:内部面数(不含外部无限面)
w:围内节点度数之和(仅n-m个内部顶点的度数累加,不含外环m个顶点度数)
N:所有孔洞围边顶点数之和
v:内部孔洞个数
重要界定:三角形面不视为孔洞;单个孔洞围边顶点数量≥4
K_n环:全部顶点共置同一外围闭合环。
二、中轴基底(m=n,无围内节点n-m=0, w=0)
内部无交叉完全三角剖分(全部内部面为三角形,无孔洞v=0):
a = n-2, e = 2n-3
三、核心操作:外弦内化
外环选两不相邻顶点连弦,将一枚外环顶点拉入内部;n不变,m← m-1, e← e+1, a← a+1, n-m←(n-m)+1。
无孔洞单通式(v=0,仅外环退化产生的内部三角面)
a = 2n - m - 2
e = 3n - m - 3
退化终点m=1:e=3n-4;m=2:e=3n-5。
对偶操作:内弦外化
标准操作:仅删除外环上相邻顶点之间的边,将内部顶点推向外环,全程维持仅三角形内部面(v=0)。
异常操作:删除一端或两端均位于围内的弦,撕裂三角剖分,单次操作生成一个围边≥4的孔洞;连续多次跳进图内执行异常减边,可以累积产生多个孔洞v≥1,或是增大已有孔洞的围边顶点总和N。拓扑增量与单次异常外弦内化完全一致。
四、全套完整公式
1. 围内节点度数相关(无内部孔洞 v=0,w=围内节点度数之和)
a = (w + 2m + (n - m))/3
e = (w + 3m + (n - m))/2
w = 3a - (n-m) - 2m
w = 2e - (n-m) - 3m
2. 全域总度数恒等式(W:所有顶点度数总和)
W = 2e
3. 多孔洞修正公式(存在围边≥4的独立内部孔洞,v≥1;三角形面不计入孔洞)
a = 2n - m - 2 - (N - 2v)
e = 3n - m - 3 - (N - 3v)
4. 规范构造链核心结论(v=0,无围边≥4的孔洞)
e ∈ [n-1, 3n-4], P = 2n-2
5. 完全图(附录独立公式)
e = n(n-1)/2
五、两条生成路径
1. 环内增/减边:K_n环内部自由加边(允许交叉),可达完全图,色数最大n。
2. 外弦内化/外化:沿外环退化(v=0,仅三角形内部面),规范链 e∈[n-1,3n-4],色数恒≤4。
两套路径公式独立,不可混用。
六、规范构造链
区间内每个整数e存在规范代表图;代表图总数:P=2n-2
四条双向对称通路:基底添边至上限、基底减边至树、全域正向树→自环极限、全域逆向自环极限→树。
七、与经典欧拉体系对比
经典:m≥3、无重边自环、无交叉嵌入,e≤3n-6。
本体系:1≤m≤n,重边、自环是连续退化自然阶段,补齐两条极限边,实现v=0规范链边数无断层。
八、实例(均无孔洞v=0)
n=3:e∈[2,5], P=4
n=4:e∈[3,8], P=6
n=5:e∈[4,11], P=8
结语
本体系以K_n环为舞台、三角剖分为枢纽、外弦内化为核心操作,配套严格对偶操作内弦外化;两类操作的标准演化仅产生三角形内部面,单次异常扰动对偶生成围边≥4的孔洞,连续异常操作可累积多个孔洞或扩大孔洞围边总长,二者共享同一套多孔洞修正公式。两条可逆路径复合可生成从连通树到K_n的各类二维平面图;规定三角形面不属孔洞,仅围边≥4的封闭区域定义为孔洞;明确w为围内节点度数之和,不含外环节点;将重边、自环纳入连续演化,外推欧拉边数上限,全套公式自洽、操作可逆、构造链条完整对称闭合。 |
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