Adloun

informatique (MP2I/MPI) · Chapitre 13 · Exercice de TD

Un arbre a exactement arêtes

Le modèle des graphes · niveau 2

Énoncé

La remarque du chapitre l'affirme sans le démontrer.

  • Démontrer qu'un arbre — graphe non orienté connexe et acyclique — à sommets a exactement arêtes.
  • La réciproque est-elle vraie ? Un graphe à arêtes est-il un arbre ?

Corrigé

1. La démonstration, par récurrence forte sur .

Base : . Un seul sommet, pas d'arête possible sans boucle — et une boucle est un cycle. Donc .

Hérédité. Soit un arbre à sommets.

Étape a : possède une feuille, c'est-à-dire un sommet de degré . Considérons un chemin de longueur maximale parmi ceux qui ne répètent aucun sommet : . Il en existe, car ces chemins sont en nombre fini et il y en a au moins un — un sommet isolé est un chemin de longueur —, et par connexité puisque . Le sommet n'a pas d'autre voisin que : un voisin serait soit hors du chemin, et l'on rallongerait le chemin, contredisant la maximalité ; soit un avec , et serait un cycle. De plus par connexité (). Donc .

Étape b : retirons et son unique arête. Le graphe obtenu a sommets ; il reste acyclique — on n'ajoute rien —, et il reste connexe, car tout chemin entre deux sommets de qui passerait par y entrerait et en sortirait par la même arête, ce qui est impossible dans un chemin. est donc un arbre, et par hypothèse de récurrence il a arêtes. D'où .

2. La réciproque est fausse, et le contre-exemple est instructif : prenons un triangle plus un sommet isolé . On a et , et ce n'est ni connexe ni acyclique.

Mais deux réciproques partielles tiennent, et elles sont la manière normale d'employer ce résultat. Pour un graphe à sommets et arêtes :

  • connexe arbre : s'il avait un cycle, on pourrait retirer une arête du cycle sans rompre la connexité, obtenant un graphe connexe à arêtes ; or un graphe connexe a au moins arêtes, contradiction ;
  • acyclique arbre : une forêt à sommets et composantes a arêtes — appliquer le point 1 à chaque composante —, donc .

La formulation à retenir : parmi les graphes à sommets, « connexe », « acyclique » et « arêtes » sont trois conditions dont deux quelconques entraînent la troisième. C'est la caractérisation qu'on emploie en pratique : pour vérifier qu'un graphe est un arbre, on compte ses arêtes et on teste une seule des deux autres propriétés — l'une des deux suffit, et le comptage est en .

Ce résultat sert immédiatement au chapitre chap:parcours : un parcours en profondeur d'un graphe connexe produit un arbre couvrant, et le comptage est ce qui garantit que l'on a bien un arbre et non une forêt.

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