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グラフ理論の問題

難易度 1教科書の例題レベル大学数学 グラフ理論

正二十面体の頂点と辺を、そのまま頂点と辺とする単純無向グラフ (正二十面体グラフ)を考える。 の頂点は 個である。正二十面体の各頂点には 本の辺が集まっているので、 のどの頂点の次数も である。握手補題を用いて、 の辺の数を求めよ。

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(6 技能)
算数中学高校大学大学院

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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る(前提が先)
  1. 樹形図で数え上げる
  2. 積の法則と和の法則
  3. 和の法則・積の法則と樹形図
  4. 順列・円順列・重複順列
  5. 組合せ
  6. グラフの次数と握手補題

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

技能「グラフの次数と握手補題」を使います。辺を直接数えなくても、頂点の次数の和から辺の数がわかります。

ヒント 2

握手補題 を使います。各辺は両端の 頂点で 回ずつ数えられます。

ヒント 3

すべての頂点の次数の和は です。これが辺の数の何倍にあたるかを考えましょう。

答えと解説

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解説を読む

握手補題:グラフ では、すべての頂点の次数の和は辺の数の 倍に等しい。

各辺は両端の つの頂点の次数にそれぞれ ずつ数えられるので、この等式が成り立つ。

手順 1:次数の和を求める。 の頂点は 個あり、どの頂点の次数も であるから、

手順 2:握手補題から辺の数を求める。 より、

確認として、正二十面体の辺の数は であることが知られており、結果と一致する。

よって、 の辺の数は である。

別解

握手補題より、全頂点の次数の和は辺の数の 2 倍に等しい。頂点は 12 個で各次数は 5 なので、次数の和は 。よって辺の数を とすると より 。
検算:正二十面体は面が 20 個の正三角形で、各辺は 2 つの面に共有されるから辺の数は 。オイラーの多面体定理 も成り立つ。

この問題の確認

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