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朱火华新二维平面图体系(完整缩减稿·补入度数公式·可复制版)
作者:朱火华
摘要
本体系独立定义广义二维平面图,将退化结构、重边、自环及规范交叉结构纳入统一框架。以“外围边界节点数 m”为核心参数,划分 A 类简单广义平面图与 B 类规范交叉图。A 类由基底三角剖分出发,经外弦内化、内弦外化、环模减边、树形添边四条路径实现双向全域构造,导出边数、面数、多孔洞修正与度数反推公式。B 类仅含完全图与完全二分图的规范交叉或叠加构型;完全图边数采用本体系展开构造式,平衡完全二分图采用本体系公式,完全图面数采用“原节点三元组叠加面口径”定义。传统三条公式仅列附录,正文公式均按本体系口径表述。
原创声明: 除附录 A 所列三条传统公式仅作引用外,正文全部定义、参数、分类、构造路径、推导公式与判定规则均为朱火华独立原创成果。
关键词: 二维平面图;外围边界节点数 m;边数连续区间;规范交叉图;平衡完全二分图;四色定理
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一、体系总定义
A 类:简单广义平面图
无几何边交叉,允许至多一对重边、至多一个自环,允许孤立点、无边、单边、树、退化环等无交叉二维平面结构。连通规范代表图边数连续区间:
e\in[n-1,\ 3n-4],
规范图档数:
P=2n-2.
孤立点、无边、多连通分量等退化结构归入 A 类定义范围,但不参与上述连续区间和档数计算,按连通分量另行描述。
B 类:规范交叉图子类
仅包含完全图 K_n 与完全二分图 K_{p,q} 的规范交叉或叠加构型,允许边交叉,交叉点不计入节点。其他含交叉构型不纳入本体系。B 类不参与 A 类边数、面数公式体系。
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二、符号
· n:总节点数
· m:外围边界节点数,0\le m\le n
· d=n-m:围内节点数
· b:第二层环节点数
· a_F:A 类有限面数
· a_T:三角形面数
· a:三角形计数参数
· e:有效边数
· w:围内节点度数和
· W:总度数和
· N:孔洞围边节点总和
· v:孔洞个数
· f:总面数,A 类中 f=a_F+1
· a_F^{B}:B 类叠加口径面数
· T_n:B 类完全图原节点三元组叠加面计数
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三、A 类核心公式
3.1 m\ge1 最大构造通式
e_{\max}=3n-m-3
基底递推:
e_{\max}=(2n-3)+(n-m)=3n-m-3.
有限面数:
a_{F,\max}=2n-m-2
基底递推:
a_{F,\max}=(n-2)+(n-m)=2n-m-2.
总面数:
f_{\max}=2n-m-1
自动满足体系导出恒等关系:
n-e_{\max}+f_{\max}=2.
3.2 特殊档位
· m=n:基底三角剖分
e=2n-3,\quad a_F=n-2.
· m=3:普通外环
e=3n-6,\quad a_F=2n-5.
· m=2:重边退化外环
e=3n-5,\quad a_F=2n-4.
· m=1:自环退化外环
e=3n-4,\quad a_F=2n-3.
3.3 m=0 形式连续档
不代入 e=3n-m-3,按
e=n-1,\ n,\ \ldots,\ 3n-4
逐档构造,最大边数:
e_{\max}=3n-4.
连通规范代表图面数:
a_F=e-n+1,
最大档:
a_{F,\max}=2n-3.
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四、A 类基底与四条构造路径
4.1 基底
外环 n 节点作三角剖分:
e=2n-3,\quad a_F=n-2,\quad m=n,\quad d=0.
基底为四条路径公共中心。
4.2 路径一:外弦内化
每步:
m\to m-1,\quad d\to d+1,\quad e\to e+1,\quad a_F\to a_F+1.
共 n-m 步,得:
e=3n-m-3,\quad a_F=2n-m-2,\qquad m\ge1.
4.3 路径二:内弦外化
每步:
m\to m+1,\quad d\to d-1,\quad e\to e-1,\quad a_F\to a_F-1,
回到基底。与路径一严格互逆,通式相同。
4.4 路径三:环模减边
从基底减环边及环内剖分线至连通树:
e=n-1,\quad a_F=0.
4.5 路径四:树形添边
从连通树添边并三角剖分回基底:
e=2n-3,\quad a_F=n-2.
4.6 全域构造链
n-1\ (\text{树})
\longrightarrow
2n-3\ (\text{基底})
\longrightarrow
3n-4\ (\text{上限})
正向:
n-1\to n\to\cdots\to 2n-3\to\cdots\to 3n-4.
逆向:
3n-4\to\cdots\to 2n-3\to\cdots\to n-1.
四条路径在规范代表意义下唯一对接。
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五、A 类多孔洞修正
设孔洞围边节点总和 N,孔洞个数 v。
m\ge2
e=3n-m-3-(N-3v)
a_T=2n-m-2-(N-2v)
a_F=a_T+v
m=1
e=3n-4-(N-3v)
a_T=2n-4-(N-2v)
a_F=a_T+v+1
m=0
以对应档位 e_0,a_{F0} 修正:
e=e_0-(N-3v)
a_T=a_{F0}-(N-2v)
a_F=a_{F0}-(N-2v)+v
总面数仍取 f=a_F+1。
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六、度数反推体系
一般度数关系:
W=2e
最大构造下:
W=2(3n-m-3)
即:
W=6n-2m-6
围内度数和:
w=2e-3m-b
最大构造下:
w=6n-5m-6-b
三角形计数关系:
w=3a-2m-b
使用时须注明 a 为三角形面数或体系内三角形计数口径。
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七、B 类规范交叉图体系
7.1 完全图边数展开构造式
e=n+2(n-3)+\frac{(n-4)(n-3)}2,\qquad n\ge4.
7.2 平衡完全二分图公式
当总节点数 n 为偶数,且 p=q=n/2 时:
e=\left(\frac n2\right)^2.
7.3 B 类完全图叠加面数公式
B 类不沿用 A 类面数公式。交叉点不计入节点,交叉局部不独立计面。B 类完全图面数采用“原节点三元组叠加面口径”定义:
a_F^{B}=T_n=\binom n3=\frac{n(n-1)(n-2)}6,\qquad n\ge4.
该式表示由 B 类完全图原节点中任取 3 个节点所确定的三元叠加面计数;不是传统欧拉面数,也不是把交叉点作为新节点平面化后所得小面数。
实例:
\begin{array}{c|cccccc}
n & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9\\
\hline
a_F^{B}=T_n & 4 & 10 & 20 & 35 & 56 & 84
\end{array}
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八、着色规则
1. A 类去自环简单平面图:四色可染。
2. B 类完全图 K_n:n 色定理。
3. B 类完全二分图 K_{p,q}:2 色可染。
A/B 两类划分下的着色适用边界判定规则为本体系自洽定义。
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九、实例验证
A 类
取 n=5,m=3:
e=15-3-3=9,\quad a_F=10-3-2=5,\quad f=6,
5-9+6=2.
度数:
W=2(3\times5-3-3)=2(15-6)=18.
取 n=6,m=3:
e=18-3-3=12,\quad a_F=12-3-2=7,\quad f=8,
6-12+8=2.
度数:
W=2(3\times6-3-3)=2(18-6)=24.
B 类
取 n=6:
a_F^{B}=\binom63=20.
取总节点数 n=6 的平衡完全二分图,p=q=3:
e=3\cdot3=9=\left(\frac62\right)^2.
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十、体系边界
· A 类:无交叉广义平面图,具有完整连续边数体系与面数通式。
· B 类:规范交叉完全图、完全二分图;完全图边数采用本体系展开构造式,平衡完全二分图采用本体系公式,完全图面数采用原节点三元组叠加口径 a_F^{B}=\binom n3。
· A/B 分类、构型平面性判定边界为本体系定义。
· 交叉点是否作为节点须事先声明:A 类不把交叉点作为节点;B 类交叉点不计入节点,面数按叠加口径另行定义。
· B 类“规范交叉构型”不等同于传统图论平面性判定。
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十一、纯代数构造核心
本体系不以外部面关系为前提,而以基底和四条路径作纯代数增量构造。对 m\ge1:
e=3n-m-3,\quad a_F=2n-m-2,\quad f=2n-m-1,
自动满足:
n-e+f=2.
该恒等关系为体系导出结果。
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十二、总公式总汇
1. 参数 m:外围边界节点数。
2. A 类边数通式:
e=3n-m-3.
基底递推:
e=(2n-3)+(n-m).
3. A 类面数通式:
a_F=2n-m-2.
基底递推:
a_F=(n-2)+(n-m).
4. A 类连续区间与档数:
e\in[n-1,3n-4],\qquad P=2n-2.
5. 四条构造路径:外弦内化、内弦外化、环模减边、树形添边。
6. 多孔洞修正公式。
7. 度数反推公式:
W=2e,
最大构造下:
W=2(3n-m-3)=6n-2m-6,
w=2e-3m-b,
最大构造下:
w=6n-5m-6-b,
w=3a-2m-b.
8. B 类完全图边数展开构造式:
e=n+2(n-3)+\frac{(n-4)(n-3)}2.
9. B 类平衡完全二分图公式:
e=\left(\frac n2\right)^2.
10. B 类完全图叠加面数公式:
11. A/B 类构型分类定义与体系内平面性判定准则。
12. 基底选取、纯代数构造、导出恒等关系的论证框架。
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十三、三大核心创新
1. 以全域参数 m 补齐平面图结构盲区;普通外环最大边数情形对应本体系 m=3 档。
2. 纯代数四条对称构造路径,不依赖外部面关系作为构造前提,恒等关系后置导出。
3. 构型级分类:按具体嵌入构型区分 A 类无交叉结构与 B 类规范交叉结构,建立 A/B 两类划分与体系内判定规则。
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十四、原创确权声明
除附录 A 所列三条传统公式仅作引用外,正文全部定义、参数、分类、构造方法、推导公式与判定准则均属于朱火华独立原创成果。
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结语
本体系以 m 为核心独立变量,以基底三角剖分为公共中心,通过外弦内化、内弦外化、环模减边、树形添边四条路径实现 A 类双向全域构造。A 类公式闭环;B 类完全图边数采用展开构造式,平衡完全二分图采用本体系公式,完全图面数采用原节点三元组叠加口径
a_F^{B}=T_n=\binom n3.
正文公式均按本体系口径表述,传统三条公式仅列附录。
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附录 A:传统引用公式(仅三条)
1. 完全图边数传统公式:
e(K_n)=\frac{n(n-1)}2.
2. 完全二分图原始乘积公式:
e(K_{p,q})=p\cdot q.
3. 总度数与边数关系传统公式:
W=2e.
以上三条仅为学界已有公式引用,不参与正文原创公式确权。 |
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