Sovelluksissa graafin yhtenäisyys on melko yleinen vaatimus. Joskus tämäkään ei kuitenkaan riitä vaan tarpeen on tietää, pysyykö graafi yhtenäisenä, jos siitä poistetaan yksi solmu.
Määritelmä 2.13. GraafinG solmuv on graafinGirrotussolmu(cut-vertex), jos graafissaG−von enemmän komponentteja kuin graafissaG.
u :
G1
v :
G2 G :3
Kuva 2.12.Solmuu on graafinG1 irrotussolmu ja solmuv on graafin G2 irrotussolmu.
GraafissaG3ei ole irrotussolmua.
Eristetty solmu ei ole irrotussolmu, sillä eristetyn solmun poistaminen graafista vähentää graafin komponenttien lukumäärää.
Lause 2.12. Josv on graafinGirrotussolmu, niinG−vei ole yhtenäinen.
Todistus. GraafissaG−v on ainakin kaksi komponenttia.
Määritelmä 2.14. Graafi onseparoituva(separable), jos se on epäyhtenäinen tai sillä on ainakin yksi irrotussolmu. Muussa tapauksessa graafi onseparoitumaton (nonseparable).
G2:
G :1 G3:
Kuva 2.13.Separoitumattomia graafeja.
Määritelmä 2.15. Graafin maksimaalinen separoitumaton aligraafi on graafin lohko(block).
GraafinG aligraafi H on siis graafinGlohko, jos (i) H on separoitumaton ja (ii) aina, kun F on graafinGaligraafi, jokoF on graafin Haligraafi tai H∪F on
G1: G2:
Kuva 2.14.GraafissaG1on kolme lohkoa ja graafissaG2on neljä lohkoa.
Lause 2.13. Graafin jokainen särmä kuuluu ainakin yhteen lohkoon.
Todistus. OlkoonG= (V,E),e ∈E jae= {u,v}. Menetellään seuraavasti:
1. Asetetaan H :=({u,v},{e}). TällöinH on graafinGseparoitumaton aligraafi.
2. Jos Hon lohko, lopetetaan.
3. JosHei ole lohko, on olemassa sellainen graafinGseparoitumaton aligraafiF, ettäHon graafinF aito aligraafi. Valitaan jokin tällainenF.
4. AsetetaanH := F ja jatketaan kohdasta 2.
Tämä algoritmi pysähtyy, koska kohdassa 3 graafi H on graafin F aito aligraafi.
Näin ollen kohdassa 4 graafiinH lisätään ainakin yksi solmu tai särmä. Algoritmin
päättyessäHon lohko, jossa on särmäe.
Lause 2.14. Graafin jokainen separoitumaton aligraafi on jonkin lohkon ali-graafi.
Todistus. Separoitumaton aligraafi voidaan täydentää lohkoksi lauseen2.13
todistuk-sessa esitetyllä algoritmilla.
Seuraus 2.15. Graafin jokainen solmu kuuluu ainakin yhteen lohkoon.
Todistus. Solmu muodostaa yksin separoitumattoman aligraafin, joka lauseen2.14
perusteella kuuluu johonkin lohkoon.
Lause 2.16. Graafin jokainen särmä, joka ei ole luuppi, kuuluu täsmälleen yhteen lohkoon.
Todistus. Lauseen 2.13 mukaan jokainen särmä kuuluu ainakin yhteen lohkoon.
Lauseen loppuosan todistus jätetään harjoitustehtäväksi.
G:
Kuva 2.15.PseudograafissaGon kaksi lohkoa.
Solmu tai luuppi voi kuulua useampaankin lohkoon (ks. kuvat2.14ja2.15).
Lause 2.17. Solmuvon yhtenäisen graafinGirrotussolmu täsmälleen silloin, kun on olemassa kaksi sellaista graafinGeri solmuaujaw, ettäu, v,w, v javon jokaisen solmujenujawvälisen polun solmu.
Todistus. Oletetaan ensiksi, ettävon graafinGirrotussolmu. Siis lauseen2.12nojalla graafiG−vei ole yhtenäinen eli siinä on ainakin kaksi komponenttiaG1=(V1,E1)ja G2 =(V2,E2). Olkoonu ∈V1jaw ∈V2. Selvästikin solmutv,ujawovat eri solmuja.
Tehdään nyt vastaoletus, että on olemassa sellainen graafinGpolkup: u→ w, ettäv ei ole polunpsolmu. Siis pon myös graafinG−v polku. Näin ollenujawolisivat yhdistettyjä graafissaG−v, mikä on mahdotonta, silläujawkuuluvat graafinG−v eri komponentteihin.
Oletetaan seuraavaksi, ettäu,vjawovat eri solmuja ja solmuvkuuluu jokaiseen solmujenu ja w väliseen polkuun. Siis yksikään polku solmustau solmuun w ei ole graafinG− v polku, joten solmut uja w eivät ole yhdistetyt graafissa G−v. Siis graafissa G− v on ainakin kaksi komponenttia eli ainakin yksi komponentti enemmän kuin yhtenäisessä graafissaG. Siis solmuvon graafinGirrotussolmu.
Lause 2.18. Yhtenäinen graafiGon separoituva täsmälleen silloin, kun graa-fillaGon kaksi vähintään kaksisolmuista aligraafia, joilla on täsmälleen yksi yhteinen solmu ja joiden unionina saadaan graafiG.
Todistus. Oletetaan ensiksi, että graafi G = (V,E) on yhtenäinen ja separoituva.
Tällöin siinä on ainakin yksi irrotussolmuv. Lauseen2.17perusteella on olemassa sellaiset irrotussolmustav eroavat eri solmutujaw, että irrotussolmuvon jokaisen solmustausolmuunwkulkevan polun solmu. Lauseen2.17todistuksessa todettiin, että u ja w kuuluvat graafin G − v eri komponentteihin. Olkoon H = (W,F) se komponentti, johon solmu w kuuluu. Olkoot G1 = (V1,E1) = hW ∪ {v}i ja G2 =(V2,E2)= hV \WigraafissaGindusoituja graafinGaligraafeja.
Koskaujawkuuluvat graafinG−veri komponentteihin, niinw ∈W jau<W. Siisv,w ∈V1jau<V1sekäu,v ∈V2jaw<V2. JoukoissaV1jaV2on siis vähintään kaksi alkiota ja niiden leikkaus
V1∩V2= (W ∪ {v}) ∩ (V \W)= {v}.
EdelleenV1∪V2= (W∪ {v}) ∪ (V\W)=V. Osoitetaan vielä, että särmäjoukko E1∪E2= E. Koska mikään joukonV \W solmuista ei ole komponentinHsolmu, voi joukonV \W solmuista ainoastaan solmustavolla särmiä joukonW solmuihin.
Koska kuitenkinv ∈ V1, mikään särmistä ei voi jäädä pois, joten E1∪E2 = E eli G1∪G2=G.
Oletetaan seuraavaksi, ettäG1=(V1,E1)jaG2 =(V2,E2)ovat sellaisia graafinG aligraafeja, ettäV1∩V2= {v}, joukoissaV1jaV2on kummassakin vähintään kaksi solmua jaG1∪G2= G. Koska joukoissaV1jaV2on kummassakin vähintään kaksi solmua on olemassa sellaiset solmutu ∈V1jaw ∈V2, ettäu , vja w , v. Koska V1∩V2 ={v}jaE = E1∪E2, kaikki polut solmustausolmuunwkulkevat solmunv kautta. Koska graafiGon yhtenäinen, solmuvon lauseen2.17mukaan graafinG
irrotussolmu eli graafiGon separoituva.
Seuraus 2.19. Yhtenäisessä separoituvassa graafissa on ainakin kolme solmua.
Lause 2.20. Jokaisessa vähintään kaksisolmuisessa graafissa on ainakin kaksi solmua, jotka eivät ole irrotussolmuja.
Todistus. Todistamme lauseen induktiolla solmujen lukumäärännsuhteen. Olkoon n = 2. Jos solmujen välillä on särmä, toisen solmun ja särmän poistaminen pitää komponenttien määrän yhtenä, ja jos särmää ei ole, toisen solmun poistaminen vähentää komponenttien lukumäärää. Kummassakaan tapauksessa ei kumpikaan solmuista ole irrotussolmu.
Tehdään induktio-oletus, että jokaisessa korkeintaan n-solmuisessa (n ≥ 2) graafissa on ainakin kaksi solmua, jotka eivät ole irrotussolmuja. Olkoon graafinG solmujen lukumäärän+1. Jos graafissaGei ole irrotussolmuja, väite on tosi. Siis voidaan olettaa, että graafissaGon ainakin yksi irrotussolmuv. Nyt graafissaG−v onnsolmua. OlkootG1,G2, . . . ,GmgraafinG−vkomponentit. Näitä on lauseen2.12 mukaan vähintään kaksi.
Yksisolmuisissa komponenteissaGikomponentin ainoa solmu ei ole graafinG irrotussolmu, sillä solmusta voi olla särmä ainoastaan solmuun v. Täten solmun poistaminen ei kasvata komponenttien lukumäärää (mutta voi vähentää).
Useampisolmuisissa komponenteissaGi solmuja on korkeintaannkappaletta.
Täten induktio-oletuksen nojalla niistä ainakin kaksi solmuaujaweivät ole graafinGi
irrotussolmuja. Jos näistä jompikumpi ei ole solmunvvierussolmu, se ei ole myöskään graafinGirrotussolmu. Jos taas molemmat solmutujawovat solmunvvierussolmuja, mutta eivät irrotussolmuja komponentissaGi, niin toisen solmun poistaminen ei katkaise muiden solmujen yhteyttä toiseen solmuun ja sen kautta edelleen solmuunv. Täten kumpikaan solmuistaujawei ole graafinGirrotussolmu.
Näin ollen jokaisesta komponentistaGi löytyy ainakin yksi solmu, joka ei ole graafinGirrotussolmu. Koska komponentteja on ainakin kaksi, graafistaGlöytyy ainakin kaksi solmua, jotka eivät ole irrotussolmuja.