欧拉公式的一个简洁证明
作者：互联网
平面图大坑啊，我不打算填了 qwq
目录
基本内容
如果知道了就可以直接跳过了 .
基本定义
平面图 定义
若图 \(G\) 能被画在平面上且不同的边仅在端点处相交，则称图 \(G\) 为平面图 . 画出的没有边相交的图称为 \(G\) 的平面表示或平面嵌入 .
面 定义
一个图的平面嵌入会将整个平面划分成若干个互不连通的区域，每个区域称为一个面 . 无界的区域称作外部面，有界的区域称作内部面 . 包围某个面的所有边构成了该面的边
对偶图 定义
设 \(G\) 为平面图的一个平面嵌入，定义它的对偶图 \(G^∗\) 为：
- 在 \(G\) 中的每一个面取一个点，作为 \(G^∗\) 的顶点；
- 对于 \(G\) 中的每一条边 \(e\)，都对应一条 \(G^∗\) 中的边 \(e^∗\) 连接与 \(e\) 相邻的两个面中的顶点，且 \(e^*\) 在平面中穿过 \(e\) .
欧拉公式
首先要明确我们到底要证什么吧，欧拉公式有好多啊 qwq .
平面图欧拉公式
对于一个连通的平面嵌入 \(G\)，它的点数 \(V\)，边数 \(E\)，面数 \(F\) 满足关系式
\[V-E+F = 2 \]
推论：
对于一个有 \(k\) 个连通块的平面嵌入 \(G\)，它的点数 \(V\)，边数 \(E\)，面数 \(F\) 满足关系式
\[V-E+F = C+1 \]
推论的证明：
对 \(G\) 的每个连通块 \(G_{1\cdots k}\) 用 Euler's Formula，得
\[V_i-E_i+F_i=2\quad 1\le i\le k \]相加，得
\[\sum V_i - \sum E_i + \sum F_i = 2k \]而显然 \(\displaystyle \sum V_i = V,\, \displaystyle \sum E_i = E,\, \displaystyle \sum F_i = F+(k-1)\)（\(F\) 的式子因为外部面多计算了 \(k-1\) 次） .
从而 \(V-E+F+(k-1) = 2k\)，即 \(V-E+F = k+1\) . 证毕 .
光速证明欧拉公式
正片
考察图 \(G\) 的一棵生成树 \(\mathcal T\) 以及其对偶图 \(G^{*}\) .
显然 \(G\) 的非生成树边对应 \(G^{*}\) 中也形成一棵生成树 \(\mathcal T^{*}\) .
众所周知，树的边数等于点数减一 .
设生成树边数为 \(e\)，于是
- \(V\)，即 \(G\) 的顶点数，则 \(V=e+1\) .
- \(F\)，即 \(G^{*}\) 的顶点数，则 \(F=e+1\) .
- \(E\)，即 \(\mathcal T,\mathcal T^{*}\) 的边数和，则 \(E=2e\) .
从而
\[\begin{aligned}V-E+F&=e+1-2e+e+1\\&=2\end{aligned} \]证毕
扩展阅读
- Cauchy 的证明
- 归纳法
- 平面图。。
Reference
- 平面图欧拉公式的精彩证明 - _beginend
- 浅谈平面图相关算法 - 唐绍轩（WC 2022）
- 欧拉公式 -百度百科
- 《图论及其应用》学习笔记（平面图） - HeinSven
标签：简洁,公式,sum,平面图,平面嵌入,mathcal,欧拉 来源： https://www.cnblogs.com/CDOI-24374/p/15844206.html