数学中国

 找回密码
 注册
搜索
热搜: 活动 交友 discuz
查看: 273|回复: 1

@@朱火华新二维平面图体系

[复制链接]
发表于 2026-10-3 13:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 朱明君 于 2026-10-12 23:25 编辑

朱火华新二维平面图体系

作者:朱火华

一、体系总定义

本体系重新定义广义二维平面图,将传统平面图理论中被排除的退化结构、重边、自环以及必要的规范交叉结构纳入统一框架。

体系分为两大类:

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。

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),允许边交叉,交叉点不计入节点。其他非完全、非完全二分图的含交叉构型不纳入本体系。

二、核心结论

A类:简单广义平面图

边数连续区间:

e 属于 [n-1, 3n-4]

其中 n 为总节点数,m 为外围边界节点数,0 ≤ m ≤ n。

当 m ≥ 3 时,属于传统平面图公式可覆盖范围;
当 m = 2 时,对应一对重边退化外环,边数 3n-5;
当 m = 1 时,对应一个自环退化外环,边数 3n-4。

A类标准规范图总数量,在规范代表意义下:

P = (3n-4) - (n-1) + 1 = 2n-2

B类:规范交叉图子类

完全图 K_n 边数,传统公式:

e(K_n) = n(n-1)/2

完全二分图 K_(p,q) 边数,传统公式:

e(K_(p,q)) = p × q

B类不设统一边数上限,不参与A类的边数区间和面数公式。

三、基本定义

n:总节点数
m:外围边界节点数,0 ≤ m ≤ n
D = n - m:围内所有节点个数,用于计算面数与边数
d:由外向内第二层环上节点个数,仅用于度数反推公式
y:第三层及以上环加中心区域节点个数,仅用于度数反推公式
度数反推公式适用结构满足:n = m + d + y
a:有限面数,不含外部无限面
e:有效边数,重边、自环均计入
w:围内节点度数和
N:所有内部孔洞围边节点数之和
v:孔洞个数,单孔围边节点数 ≥ 4

关于 D 与 d 的说明:

计算三角形个数和边数时,围内所有节点个数记为 D = n - m;
度数和反推公式中,第二层环上节点个数记为 d,第三层及以上加中心区域节点个数记为 y,满足 n = m + d + y。

两者含义不同,不可混用。

四、A类基底与四条构造路径

4.1 基底状态

环上 n 个节点,环内无节点,先三角剖分。

基底面数:

a = n - 2

基底边数:

e = 2n - 3

此时 m = n,D = 0。该基底是四条构造路径的公共枢纽和唯一中心原点。

4.2 路径一:基底正向添边,外弦内化

从基底 e = 2n - 3 开始,在外环上选取两个非相邻节点添加外弦,使外环节点内化,逐步推进至边数上限 e = 3n - 4。

操作规则:环上不相邻两节点向外连接,原本环上一节点和两条环边内化到环内。

结构变化:

总节点数 n 不变;
外围节点数 m 减 1;
围内节点数 D = n - m 加 1;
面数 a 加 1;
边数 e 加 1。

经过 n - m 次外弦内化后,达到重边外环 m = 2 和自环外环 m = 1。

路径一通式:

e = (2n - 3) + (n - m) = 3n - m - 3

a = 2n - m - 2,其中 m ≥ 2 时为三角形个数,m = 1 时为三角形个数 + 1 个自环面。

4.3 路径二:内弦外化,逆向减边

从 e = 3n - 6 开始,环上去掉一条环边,环内一节点和两条环边外化到环上,依次减到基底 e = 2n - 3。

操作规则:在外围减去一条边,使内部一个节点变成外部节点。

结构变化:

总节点数 n 不变;
外围节点数 m 加 1;
围内节点数 D = n - m 减 1;
面数 a 减 1;
边数 e 减 1。

最终回到基底。

路径二通式:

a = 2n - m - 2

e = 3n - m - 3

路径二与路径一互为逆操作,公式形式相同,方向相反。

4.3A 环模减边:从基底 2n-3 减到树 n-1

从基底 e = 2n - 3 开始,环上减去一条边,再依次减去环内剖分线,边数持续减少,直至下界 e = n - 1。

注:e = n - 1 处满足条件的图不止一种,本体系为操作统一,选定连通树作为规范代表。

结构变化:

总节点数 n 不变;
外围节点数 m 保持 m = n;
围内节点数 D = 0;
边数 e 减 1;
面数 a 减 1。

最终变为连通树:

e = n - 1,a = 0

4.3B 树形添边:从树 n-1 添到基底 2n-3

从边数下界 e = n - 1 的连通树出发,树形首尾两节点添边连接,再依次三角剖分,边数持续增加,直至基底 e = 2n - 3。

注:本步骤选择连通树作为 e = n - 1 的规范代表,与 4.3A 的终点一致,保证正向链与逆向链严格对接。

结构变化:

总节点数 n 不变;
外围节点数 m 保持 m = n;
围内节点数 D = 0;
边数 e 加 1;
面数 a 加 1。

最终回到基底:

e = 2n - 3,a = n - 2

核心操作对照

外弦内化:

性质:添边
操作方式:外环两个不相邻节点添加外弦
节点变化:外部节点变为内部节点
总节点数 n:不变
外围节点数 m:减 1
围内节点数 D = n - m:加 1
边数 e:加 1
面数 a:加 1
路径方向:从基底走向上限

内弦外化:

性质:减边
操作方式:外围减去一条边
节点变化:内部节点变为外部节点
总节点数 n:不变
外围节点数 m:加 1
围内节点数 D = n - m:减 1
边数 e:减 1
面数 a:减 1
路径方向:从上限走向基底

两者严格互逆,共享基底 e = 2n - 3 作为公共中心原点。

4.4 路径三:全域正向完整构造

从边数下界 e = n - 1 的连通树出发,逐次添边,途经基底 e = 2n - 3,最终抵达边数上限 e = 3n - 4 的自环外环。

正向序列:

e = n-1 → n → n+1 → ... → 2n-3 → ... → 3n-5 → 3n-4

从 n-1 到 2n-3 是树形添边,首尾两节点添边连接,再依次三角剖分,完成基底;
从 2n-3 到 3n-4 继续外弦内化,形成重边外环与自环外环。

每一步边数增加 1,对应唯一规范图,在规范代表意义下。

4.5 路径四:全域逆向完整构造

从边数上限 e = 3n - 4 的自环外环出发,逐次减边,途经基底 e = 2n - 3,最终回到边数下界 e = n - 1 的连通树。

逆向序列:

e = 3n-4 → 3n-5 → ... → 2n-3 → ... → n+1 → n → n-1

从 3n-4 到 3n-6 逐步去掉自环与重边,回到标准最大平面图;
从 3n-6 到 2n-3 为内弦外化;
从 2n-3 到 n-1 为环模减边,环上减去一条边,再依次减去环内剖分线至 n-1。

路径四与路径三完全对称,共享同一基底中心。

五、A类多孔洞修正

设 N 为所有孔洞围边节点总数,v 为孔洞个数:

三角形个数:

a = 2n - m - 2 - (N - 2v)

面数:

a = 2n - m - 2 - (N - 2v) + v

边数:

e = 3n - m - 3 - (N - 3v)

该公式仅适用于A类简单广义平面图。

六、A类度数反推公式

适用于由外向内两层及以上环加中心区域结构的标准二维平面图,即

n = m + d + y

其中:

n:总节点个数;
m:外围节点个数;
d:由外向内第二层环上节点个数;
y:第三层及以上环加中心区域节点个数。

由围内节点度数和 w 反推面数与边数:

a = (w + 2m + d) / 3

e = (w + 3m + d) / 2

围内节点度数和互推公式:

w = 3a - 2m - d

w = 2e - 3m - d

总图总度数恒等式:

W = 2e

以上公式适用于A类。


七、B类规范交叉图子类

包含图种:

1. 完全图 K_n,n ≥ 4时平面嵌入必出现交叉;
2. 完全二分图 K_(p,q),其中 K_(3,3) 为典型代表。

边数公式,传统公式:

完全图 K_n:

e(K_n) = n(n-1)/2

完全二分图 K_(p,q):

e(K_(p,q)) = p × q

其中 K_(3,3) 的边数,传统公式:

e(K_(3,3)) = 3 × 3 = 9

完全图边数公式构造演变步骤:

完全图 K_n 的边数可以通过分阶段添边构造得到,其等价展开形式为:

e = n + 2(n-3) + (n-4)(n-3)/2

该式最终等价于传统完全图边数公式:

e(K_n) = n(n-1)/2

以 n = 7 为例:

原始骨架边数为 7 条。

第一次从 A 节点开始添边,共 4 条;
第二次从 B 节点开始添边,共 4 条;
第三次从 C 节点开始添边,共 3 条;
第四次从 E 节点开始添边,共 2 条;
第五次从 D 节点开始添边,共 1 条。

总边数:

7 + 4 + 4 + 3 + 2 + 1 = 21

与完全图 K_7 的边数公式一致:

e(K_7) = 7 × 6 / 2 = 21

此构造步骤可作为 B 类完全图边数公式的补充注解。

面数问题:B类图由于存在边交叉,交叉点不计入节点,面的定义与计数不能沿用A类公式。本体系暂不定义B类面数,仅定义边数与结构归属。

八、着色规则

公理:A类简单广义平面图适用经典四色定理。

B类完全图 K_n:最小着色数为 n。
B类完全二分图 K_(p,q):最小着色数为 2。

n色定理

完全图 K_n 中,每个节点的度数为 n-1,因此每个节点都与其余 n-1 个节点相邻。正常着色要求相邻节点颜色不同,所以每个节点都不能与其余任何节点同色。

因此完全图 K_n 的最小着色数为 n。

补充:

n = 1 时,单节点完全图,着色数 1;
n = 2 时,单边完全图,着色数 2;
n = 3 时,三角形完全图,着色数 3;
n = 4 时,K_4为非平面图,着色数4;
n ≥ 5 时,K_n 为非平面图,着色数 n。

九、实例验证

实例一:n = 3

A类边数区间:[2, 5]

路径三正向链:

e = 2 树 → e = 3 三角形基底 → e = 4 重边外环 → e = 5 自环外环

路径四逆向链:

e = 5 → 4 → 3 → 2

实例二:n = 4

A类边数区间:[3, 8]

路径三正向链:

e = 3 树 → e = 4 单环 → e = 5 三角剖分基底 → e = 6 m=3普通外环 → e = 7 m=2重边外环 → e = 8 m=1自环外环

路径四逆向链:

e = 8 → 7 → 6 → 5 → 4 → 3

实例三:n = 5

A类边数区间:[4, 11]

路径三正向链:

e = 4 树 → e = 5 单环 → e = 6 五边形加一条弦 → e = 7 五边形三角剖分基底 → e = 8 m=4普通外环 → e = 9 m=3普通外环 → e = 10 m=2重边外环 → e = 11 m=1自环外环

路径四逆向链:

e = 11 → 10 → 9 → 8 → 7 → 6 → 5 → 4

注意:A类区间包含边数 10 和 11,但这两个边数对应的规范代表图是重边外环和自环外环,并非 K_5。K_5 单独属于B类,边数为 10,不占用A类区间位置。

K_5:n = 5,e = 10,属于B类,最小着色数 5。
K_(3,3):n = 6,e = 9,属于B类,最小着色数 2。

实例四:多孔洞公式验证

取 n = 5,m = 5,五边形加一条对角线,孔洞为四边形,N = 4,v = 1。

三角形个数:

a = 10 - 5 - 2 - (4 - 2) = 3 - 2 = 1

面数:

a = 10 - 5 - 2 - (4 - 2) + 1 = 3 - 2 + 1 = 2

边数:

e = 15 - 5 - 3 - (4 - 3) = 7 - 1 = 6

实际:三角形面 1 个,四边形面 1 个,总面数 2 个,边数 6。全部一致。

实例五:度数反推公式验证

取 n = 7,m = 4,第二层环节点数 d = 3,第三层及以上加中心区域节点数 y = 0,则

n = m + d + y = 4 + 3 + 0 = 7

满足条件。

a = 2n - m - 2 = 14 - 4 - 2 = 8

e = 3n - m - 3 = 21 - 4 - 3 = 14

围内节点度数和:

w = 3a - 2m - d = 24 - 8 - 3 = 13

w = 2e - 3m - d = 28 - 12 - 3 = 13

反推:

a = (w + 2m + d) / 3 = (13 + 8 + 3) / 3 = 8

e = (w + 3m + d) / 2 = (13 + 12 + 3) / 2 = 14

全部一致。

十、体系边界

本体系明确划分A、B两类:

A类:简单广义平面图,无交叉,允许退化结构,沿用连续边数区间与面数公式。
B类:规范交叉图子类,仅含完全图与完全二分图,不参与A类公式。

两类边界清晰,各自自洽,不再混用公式。

十一、公式总汇

A类

基底面数:

a = n - 2

基底边数:

e = 2n - 3

外弦内化面数:

a = 2n - m - 2

外弦内化边数:

e = 3n - m - 3

度数反推面数,d 为第二层环节点数,n = m + d + y:

a = (w + 2m + d) / 3

度数反推边数,d 为第二层环节点数,n = m + d + y:

e = (w + 3m + d) / 2

围内度数和面式:

w = 3a - 2m - d

围内度数和边式:

w = 2e - 3m - d

总度数恒等式:

W = 2e

多孔洞三角形个数:

a = 2n - m - 2 - (N - 2v)

多孔洞面数:

a = 2n - m - 2 - (N - 2v) + v

多孔洞边数:

e = 3n - m - 3 - (N - 3v)

边数区间:

e 属于 [n-1, 3n-4]

规范图总数量,在规范代表意义下:

P = 2n - 2

着色数:4色,公理



B类

完全图边数,传统公式:

e(K_n) = n(n-1)/2

完全图边数构造展开式:

e = n + 2(n-3) + (n-4)(n-3)/2

完全二分图边数,传统公式:

e(K_(p,q)) = p × q

特别地,K_(3,3) 边数,传统公式:

e(K_(3,3)) = 3 × 3 = 9

完全图着色数:n 色

完全二分图着色数:2色

n色定理:完全图 K_n 的着色数 = n

当 n ≤ 4 时,着色数 ≤ 4;
当 n ≥ 5 时,着色数 n > 4。


附录:外围边界节点数 m 的独立结构意义

一、标准欧拉公式的局限

标准欧拉公式:

n - e + f = 2

只涉及总节点数 n、总边数 e、总面数 f。
它不区分:

哪个面是外围边界;
外围边界上有几个节点;
外围边界与内部边界结构差异。

因此标准图论只能给出上界:

e <= 3n - 6

它无法显式区分具有不同外围边界节点数 m 的平面图。

二、m 作为独立参数

在朱火华二维平面图体系中,引入独立参数:

m = 外围边界节点数

边数公式变为:

e = 3n - m - 3

固定 n、m 时,边数严格恒定。
不同 m 对应不同外围结构,对应不同边数:

m = 3  =>  e = 3n - 6

m = 4  =>  e = 3n - 7

m = 5  =>  e = 3n - 8

三、m 不同则图不同

在标准图论中,同一个抽象图可以有多种嵌入。
在朱火华二维平面图体系中,m 是结构参数,m 不同,图就不同。

例:完全图 K4

m = 3 的 K4:

外圈三个节点围成三角形;
第四个节点放中心;
中心连到外圈三个节点;
所有边不交叉;
所有面都是三角形;
满足二维平面图定义;
是三角剖分;
色数为 4。

m = 4 的 K4:

四个节点全在外围;
画成四边形加两条对角线;
两条对角线在内部交叉;
存在交叉边;
不满足“边不交叉”条件;
按朱火华体系归为非平面图。

两者节点数都为 4,边数都为 6,但:

m = 3 不等于 m = 4

结构不同,不是同一张图。

因此:

在朱火华二维平面图体系中,m 是独立结构参数,m 不同则图不同。

m = 3 的 K4 是二维平面图,是三角剖分。

m = 4 的 K4 存在交叉边,是非平面图。

标准图论中抽象 K4 仍视为平面图,因为它不区分 m,只看是否存在一种无交叉画法。
朱火华体系把 m 作为独立参数,所以结论不同。这是体系差异,不是矛盾。

四、结论

标准图论缺少 m 这个显式维度,因此它无法区分:

不同外围边界结构的平面图;
同一抽象图的不同嵌入;
边数相同但外围边界不同的图;
m = 3 的 K4 与 m = 4 的 K4。

朱火华二维平面图体系引入 m,补上了这一描述盲区,使边数公式能精确区分不同外围边界的图。

标准欧拉公式没有 m 的定义,所以它无法区分不同外围边界结构的图。

朱火华体系引入 m,补上了这个盲区。

这是朱火华二维平面图体系对标准图论的一处补充,
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

Archiver|手机版|小黑屋|数学中国 ( 京ICP备05040119号 )

GMT+8, 2026-11-6 01:19 , Processed in 0.082337 second(s), 15 queries .

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2020, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表