1. 引言
本文只涉及非平凡简单无向图
。每个连通分支均为路的图称为线性森林。1970年,Harary [1] 最先提出图G线性荫度
的概念:
{
划分成k个部分使得每个部分导出的图是线性森林}。显然在图G的边集
分解为边不交的线性森林中,每个顶点的度至多为2,因而有
,其中
表示图G的最大度。不引起混淆时
表示最大度。
1980年Akiyama [2] 等人提出线性荫度猜想
,并且证明了树,完全图,完全二部图,以及
的图满足线性荫度猜想。一年后,他们又证明了
的图满足线性荫度猜想 [3]。1984年,Enomoto [4] 等人证明了
的图满足线性荫度猜想。1986年,Guldan [5] 证明了
的图满足线性荫度猜想。1999年,Wu [6] 证明了
的平面图满足线性荫度猜想,2008年,Wu [7] 等人证明了
的平面图满足线性荫度猜想。
本文研究一些特殊图类乘积图的线性荫度,下面介绍本文涉及四种乘积图的常见定义。
定义1.图G和图H的笛卡尔积
:顶点集为
,边集为
。
定义2.图G和图H的直积
:顶点集为
,边集为
。
定义3.图G和图H的强积图
:顶点集为
,边集
。
定义4.图G和图H的字典积
:顶点集为
,边集为
。
引理1. [2] 树T的线性荫度
。
引理2. [2] 完全二部图
(
)的线性荫度
,其中
。
文献 [8] 给出了树与路笛卡尔积,直积,强积的线性荫度,但漏了路是两个顶点的情况,下面依次给予补充。下列结论的证明中需要一些新术语。由引理1,在树T的任意一种满足
的线性森林划分中,每个最大度顶点至多在一个划分中以路的端点的形式出现,其余划分中以路的内部顶点的形式出现。现要求树T满足
划分中的每个分支只能以至多一个最大度顶点为端点,若有一个分支的两个端点都为最大度顶点,可将此分支的任意一端延长至延长端的端点不是最大度顶点为止,此操作下新加入的边在原分支中删除即可,从而保证新的划分仍是树T满足
的线性森林划分,本文将此类树T划分称为第一类划分。
引理3. m个顶点的树
与n个顶点的路
笛卡尔积的线性荫度
证明. 设
,
。当
时,有
,将图
看作树
的n个互不交拷贝与路
的m个拷贝的并,树
的线性森林划分加上路
的线性森林划分就可得到满足
的
的线性森林划分。具体证明过程看文献 [8]。下面设
。
显然有
,由定义1得,
,从而
。
当
时,有
(四长的圈),所以
。
当
时,分以下两种情况:
时,图
可以看作树
的两个拷贝及其对应边组成的,这里对应边指的是
(
)。先考虑树
的一个拷贝与所有对应边组成的图
,采用树
的第一类划分,此时将所有以最大度顶点为分支端点的对应边添加到树
的分支中,得到的划分还是线性森林,再将剩余对应边添加到不包含对应边端点的划分中作为新的分支,让
的另一拷贝的划分与前一个拷贝的划分相同,再将相同的划分合成新的划分,则得到的划分既是
的划分也是线性森林,所以
。
时,最大度顶点的对应边只能作为新划分,从而
。□
引理4. [8] m个顶点的树
与n个顶点的路
直积的线性荫度
。
证明. 设
,
。当
时,由文献 [8] 得
。下面设
。由定义2,图
可看作两个树
拷贝的不交并,由引理1得,
。□
由引理3和4及树
与路
的强积图
,可知
成立,而
,故有定理1。
定理1. [8] m个顶点的树
与n个顶点的路
强积图的线性荫度
。
证明. 设
,
。当
时,由文献 [8] 得
。下面设
。
由定义3得,
,则
。
当
时,因为能用以下两个线性森林覆盖
:
;
.
所以
,又
,所以
。
当
时,
。故
。□
2. 主要结果及证明
本文的主要结果是乘积图
,
和
的线性荫度的确定。由定义1,2,4可以观察到:
。
2.1. 树与完全图直积的线性荫度
定理2.
证明. 设
,
。由定义2得,
。
以下分三种情况:
情况一.
,
。
由引理4得,
。
情况二.
,
。
由
得,
。现将
划分为
个集合:即对正整数
,有
;
.
当
时,
。易验证,任意正整数
,
(
)导出的图是路,顶点集
又
时顶点集
与图
的顶点集相同;
时顶点集
与图
的顶点集相同。当
时,
与
都是路的不交并,当
时,
与
也是路的不交并。令
,
,当正整数
时,
从而
(
)是
的线性森林划分,故
。图1所示为图
的线性森林划分。

Figure 1. Graph
(left), graph
(center), graph
(right), where the vertex
is simply denoted by ij
图1. 图
(左),图
(中),图
(右)。图中将顶点
简写为ij
当
时,
。易验证,对任意
,
(
)组成的图是一条路。对任意正整数
,顶点集
又
时顶点集
与图
的顶点集相同;
时顶点集
与图
的顶点集相同。从而对正整数
,
与
都是路的不交并,当
时,
与
也是路的不交并。此时令
,
,当正整数
时,
因此
(
)是
的线性森林划分,从而
。下证
。
假设
,因图
是
-正则图且
,即在每个线性森林划分中每个顶点的度为2,因而每个划分不是森林,与线性荫度定义矛盾。从而
。
情况三.
,
。
此时
首先考虑图
的一种划分:现将
划分为
个集合,对正整数
易验证,
与
的分支都是
的拷贝。对
,令
时,图
的线性荫度在情况一和情况二中已经讨论过。下面讨论
时,图
的线性荫度。
当
时,图
与图
是顶点集不交的,因为
与
都是路,从而
是线性森林。同理,当
时,
也是线性森林。又
。故
(
)是
的一种线性森林划分,则
。从而
。
然后考虑图
的一种划分:首先在树
中任意选取一个叶子点作为起点(设为f),以距离最近(距离非零)的原树
的分支点(本文将树中度大于2的顶点称为树的分支点)为终点取路P,否则以另一个叶子点为终点取路P。得到新的树
。再以上一次的终点为新起点,以同样的方法选取图
中的终点得到新的路P,直到图
为空图。显然这些路P的并是原图树
。如图2所示,树
中取路的起点选作
,数字1,2,3代表取路的顺序。

Figure 2. A tree
(left), the complete graph
(center), and their direct product
(right)
图2. 树
(左)与完全图
(中)的直积图
(右)
本文将以树T中最大度顶点为端点的路长为1的分支称为单分支,若树T满足
,则所有单分支的并(必定为不交并)可作为一个划分。若第一类划分中除单分支外的其它划分分支的端点不是最大度顶点,则此划分为第二类划分。如图3所示,粗实线与实线为树的两个线性森林,右侧图中粗实线表示单分支。

Figure 3. A first (left) and second (right) divisions of a tree
图3. 树的第一类划分(左)与第二类划分(右)
在图
中选取点
作为起点,将上述
的选取方式以及树T中路P的选取方式得到的图记为
(
),则图
中的分支都是树
的拷贝。令树
的所有拷贝采用完全相同的第二类划分,则
,又
,所以
时,将每个图
中单分支组成的图记为
(
),令
,则图LC中每个分支都是
的拷贝。现图
中除
外不改变划分方式,
改为图
的满足线性荫度的划分方式。由情况一和情况二可知,当
时,图
的总划分数中将减少
个划分,从而
。当
时,图
的总划分数中将减少
个划分,从而
。
故
。□
例如图
中,树
的划分如图2(左)所示中实粗线与实线,树
中单分支是实线,以
的选取方式以及树T中路P的选取方式得到的图(如图4所示)为
,
,
。进而图
的线性森林有6个,在保持其它划分不变的情况下重新计算图LC的线性荫度,而
,其它划分为3,从而
,即减少1个划分。

Figure 4. Graph
(top left), graph
(top right), graph
(bottom left), graph
(bottom right)
图4. 图
(左上),图
(右上),图
(左下),图
(右下)
2.2. 树与路字典积的线性荫度
定理3.
,
,
时,
;
,
,
,
时,
;
其它条件时,
。
证明. 设
,
。由定义4得
。以下分四种情况:
情况一.
,
。
这时
,因
,由定理1,
。
情况二.
,
。
这时
,因
,得
。
显然
,显然后者是由两条不交路组成的图,从而
。由引理2得,
,从而
,
又
,所以
当
时,上式取等号,此时
。
当
时,上式等价于
。下证
。
假设
,考虑
中所有顶点的度,易得
(
),其余顶点的度为
。由
知,除四个顶点外,其余顶点在每个线性森林中的度都为2,即这些顶点在每个线性森林路的内部顶点处,此时每条路的两个端点必须在上述四个点上。由于
,这四个顶点作为路的端点的次数是1,从而
的线性森林分解中只有两条生成路,即
。由于
,有
,矛盾。
故
。
情况三.
,
。
由
及定理1得,
。
情况四.
,
。
由
得,
由
其中
,有
因此
时,
。□
2.3. 路与树字典积的线性荫度
定理4.
,
,
,
时,
;
,
,
,
,
或
,
,
,
,
时,
;
其它条件时,
。
证明. 设
,
。由定义4得
.
以下分两种情况:
情况一.
。
当
即
时,可设
,由定理3情况三有,
。
当
即
时,
,则
。因为
其中
,有
.
从而
。
情况二.
。
此时设
。当
即
时,由定理3得,
。
当
即
时,由定理3得,
当
即
时,
,从而
因为
其中
,由引理3及定理2有
时,
。
时,由
及引理1和2有,
,即
。
时,
。□
3. 总结
本文研究了树和完全图直积图,树和路,路和树字典积图的线性荫度,主要利用笛卡尔积图、直积图和字典积图的性质,给出对应乘积图边集的划分,进而确定以上乘积图线性荫度。线性荫度猜想是图论中广泛关注的热点问题之一,至今该猜想还未被完全证明,本文丰富了此领域乘积图的研究成果。目前乘积图线性荫度研究中笛卡尔积图相关结论较多,如完全图分别与路、圈、完全图等特殊图笛卡尔积线性荫度已确定,可在其它三种常见乘积图中继续拓展此研究,笛卡尔积中也有一些特殊图未被研究,例如完全二部图与圈的笛卡尔积图线性荫度的计算等。
基金项目
新疆少数民族科技人才特殊培养计划科研项目(2022D03002);国家自然科学基金地区科学基金项目(11961070)。
NOTES
*通讯作者。