专利名称:填色盘的制作方法
技术领域:
本发明为智力玩具。
背景技术:
地图四色问题是一个著名的数学难题,已有150多年历史。没有这方面的智力玩具。
发明内容
本发明的目的是提供这方面的智力玩具。
本发明的目的是这样实现的,设置一个圆盘,圆盘的边界圆周有不同于内部的颜色。另有V个(整数)小立方体棋子,每个小立方体的六个面,染有选定的六种颜色之一,放在圆周的叫顶点的固定位置,把圆周分为V段,每段叫界边。棋子向上的一面可以有选定的(6,5或)4种颜色之一。叫做顶点的颜色。另外再用两种颜色的笔在圆内各画V-3条连接顶点的弦(同一界边上的两顶点不连接),分别叫内边和外边.任意二内边(或外边)不相交。同一条边(界,内或外边)两端的顶点叫相邻。游戏规则是对每个顶点选取6,5或4种颜色之一使它和相邻的顶点有不同的颜色。
本发明的具体结构由以下附图和实施例给出。
图1,填色盘俯视图。
图2,片状图。
图3,证明用图。
具体实施例方式
图1,设置一个圆盘1,圆盘的边界圆周有不同于内部的颜色。另有V个(整数)类似棋子的小立方体,每个小立方体的六个面,染有选定的六种颜色之一,做成叫顶点2的棋子,放在圆周的固定位置,把圆周分为V段,每段叫界边3。顶点向上的一面可以有选定的(6,5或)4种颜色之一,叫做顶点的颜色。另外再用两种颜色(图中用实线和虚线表示)的笔在圆内各画V-3条连接顶点的弦(同一界边上的两顶点不连接),分别叫内边4和外边5。任意二内边(或外边)不相交。同一条边(界,内或外边)两端的顶点叫相邻。游戏规则是对每个顶点选取6,5或4种颜色之一使它和相邻的顶点有不同的颜色。
本智力玩具可行性由以下证明给出。
任意平面图可以用四种颜色着色崔世泰 上海市丽园路842弄26号104室摘要平面图(V,E),n=|V|,n=3时是三角形T,显然是4顶点可着色的且着色解的数目(包括颜色置换)|S(T)|=β=24.在三角形上添加一个三角形解的数目增加一倍,以后再添加一条边删去的解的数目小于原来的解的数目的一半,任何最大平面图可以添加n-3个三角形和n-3条边得到,故解的数目≥β.
关键词 添加 删去 条 外图 片图四色定理有一个计算机证明[1].本证明不用计算机.
最大平面图A=(V,E)的每个面是三角形,没有重合边(即二边顶点相同).其三角形面集记作OT(A).令Δ=Min{dA(v)v∈V(A)}.本文证明Δ≥4的最大平面图是4可着色的.
除了一个外部面是n边形面Cn,其余都是三角形面且全部顶点都在外部面上的平面图简称外图,记作X或Y,Z.Oc(X)=E(Cn)和Od(X)=E(X)\E(Cn)叫X的界边集,内边集,X的全部三角形面记作OT(X).A叫片图如果A=X∪Y且Oc(X)=Oc(Y).设X,Zi,Zj为外图,满足Od(Zi)∩Od(Zj)=空集,i≠j,i,j=1,2,...,k.若E(Zi)属于Od(X)则Xp=X\(∪{Od(Zi)i=1,2,...k})叫带k个孔的外图,Oc(Zi)叫孔.Od(Xp)=Od(X)\(∪{Od(Zi)i=1,2,...,k}),OT(Xp)=OT(X)\(∪{OT(Zi)i=1,2,...,k}).Ap=Xp∪Yp叫带孔片图,若Oc(Ap)=Oc(Xp)=Oc(Yp),Xp和Yp叫带孔片图的两个面.设Api=Xpi∪Ypi,i=1,2.若Yp1∩Xp2=Oc(Z)≠空集,Ap1和Ap2叫相邻.
定理1 最大平面图A是有向树,叫A的一个表示A’,其顶点集是带孔片图集V={Apii=0,1,2,...,k},边集是相邻的带孔片图集.
证明 设A是最大平面图,其子图X是外图,X的生成序是序集OT(X)={T1,T2,...Ts-2}满足Xj=∪{T1,T2,...Tj-2}是A的子外图,j=3,4,...,s,Ti∈OT(A).在A上用外图生成序生成的最大子外图记为X0,其边界为C0,则Ap0=X0∪{y:y∈E(A)且y的两端顶点在C0上}.设Yp0上有k个孔Oc(Zi),i=1,2,...,k.,带一个孔Oc(Zi)的外图Xpi生成序是OT(Xpi)={T1,T2,..Ts-2}满足Xpij=Oc(Zi)∪{T1,T2,..Tj-2}为带一个孔Oc(Zi)的外图,其中j=3,4,...,s;Tu∈OT(A),u=1,2,...,j-2.设生成的k个最大带孔Oe(Zi)外图为Xp1,Xp2,..,Xpk,其边界为C1,C2,...,Ck,则Api=Xpi∪{y:y∈E(A)且y的两端顶点在Ci上}.由于A有限定理成立.记Ody(A’)=∪{Od(Ypj)j=0,1,...,k},Odx(A’)=∪{Od(Xpj)j=0,1,...,k},OTy(A’)=∪{OT(Ypj)j=0,1,...,k},OTx(A’)=∪{OT(Xpj)j=0,1,...,k}.A的表示A’不是唯一的.
设v∈V(A),用Wv记OT(A)中有一个顶点是v的三角形集.Wv={T:T∈OT(A),v∈V(T)}.v也叫Wv的中心,与v相邻的边叫半径,Wv中不与v相邻的边叫周边.E(Wv)中全部半径的集记为Wvr,全部周边的集记为Wvc.设Wv属于依次相邻的f个带孔片图,当f=1时v叫独立顶点,否则v叫牵连顶点.
设X有外图生成序OT(X)={T1,T2,...Tn-2},Xj=∪{T1,T2,...Tj-2},s=(c1,c2,..,cn)为X的一个着色解,X的全部解为S(X),其中ci∈D={1,2,3,4},D是色集合.则|S(Xj)|=2j-1β,j=1,2,...,n-2.外图Xt,Xs叫相邻若|E(Xt)∩E(Xs)|=1.相邻的外图满足|S(Xt∪Xs)|=2t+s-1β,记作S(Xt∪Xs)=S(Xt)*S(Xs).故S(X)=S(T1)*S(T2)*...*S(Tn-2).设三角形T=(i,j,k),S((i,j))为其任一条边(i,j)的解集,则|S(T)|=2|S((i,j))|,因为若s=(ci,cj)∈S((i,j)),s1=(ci,cj,ck1)和s2=(ci,cj,ck2)都∈S(T),其中{ci,cj,ck1,ck2}=D.故添加一个三角形后解集有2扩张.从边(i,j)到顶点k叫扩张方向.在S(X)=S(T1)*S(T2)*...*S(Tn-2)中任一S(Tj)的扩张方向可任取,另外X也是三角形集OT(X)的树,其顶点集是OT(X),边集是相邻三角形的集.把任一Ti定义为树的根则OT(X)是有向树.在X中与T相邻的三角形数记作dx(T),dx(T)=3和1的三角形叫X的内三角形和端三角形,X的全部内三角形数记作nin(X).每个端三角形包含一个dx(v)=2的端顶点和两个与端顶点相邻的端边.外图叫条,记作F,若dF(T)≤2,对每个T∈OT(F).条的生成序是正规的若T1,Tn-2是条的端三角形.有正规序的条也记作T1#Tn-2,v1#vn,v1#b其中v1,vn为端顶点,b为端边.下面的引理是显然的.
引理1 片图A=X∪Y的边界可以画成粗线圆;X,Y的内边画成实直线和虚直线,任意二实直线(或虚直线)不在圆内相交.任一内边y=(i,j)∈Od(Y)在X的一个条F=i#j中.F叫y的所在条。
条F=i#j的端三角形也叫y=(i,j)的端三角形,包含顶点i和j的端三角形各记作T(ji)和T(ij).记K(y)={T(ij),T(ji)}.
引理2 在外图X中添加一条内边y,记作X∪y,使X的一个端三角形失去2扩张,叫做1扩张.
证明 设添加了(i,j),图2,(i,j)在i#j中,端三角形T(ij)=(m,n,j),令X=Xi∪Xj,Xi和Xj相邻,Xi∩Xj=(m,n),s=(cm,cn,ci,...)∈S(Xi),由2扩张s在顶点j有两个可选后续色坐标cj1,cj2,至少有一个不等于ci,所以添加一条内边,y的一个端三角形T(ij)成为1扩张.该三角形叫删三角形.j叫(i,j)的删顶点.从边(m,n)到顶点j叫删除方向.也可以选另一个端三角形T(ji)为删三角形.若cj1=ci,s1=(cj1,cm,cn,ci,...)∈S(X)被删,s2=(cj2,cm,cn,ci,...)∈S(X)保留.显然{cj2,cm,cn,ci}=D.对解s2中的三种颜色cj2,cn,ci作循环置换,记作[cj2,cn,ci],置换后的解记作s2’.可以看到从(cj1,cm)∈S((j,m))作2扩张的两个解s1,s2’中s2’保留.故添加(i,j)后删三角形的删除方向可任取.实际上只要对s2作颜色置换就知道任意(cj,cm)在n点的两个扩张解中必有一个保留.
引理3 在Wvr中有属于带孔片图的边集或孔的2f-1对半径.这2f-1对半径把Wv分割在2f个面Xp(t+1),Yp(t+1),Xp(t+2),Yp(t+2),...,Xp(t+f),Yp(t+f)中.Wvr∩Od(Yp(t+1))中的半径只与Wv∩OT(Xp(t+1))中的同一三角形Tv的周边相交,Wvr∩Od(Yp(t+k))中的半径不与Wv∩OT(Xp(t+k))中的任一三角形相交,k=2,3,...,f.由于存在表示Aa’其中Tv属于OT(X0),是任一边b∈Wvr∩Ody(A’)的端三角形,故把Tv叫边(半径)r=(e,v)∈Wvr∩Ody(A’)的端三角形,记作T(ev).这是片图中端三角形定义的推广,和定理4归纳法证明结果一致.在f个带孔片图按相反次序排列时也有相同的结论.即Tv’∈OT(Yp(t+f))叫边(半径)r=(e,v’)∈Wv’r∩Odx(A’)的端三角形.
证明由定理1的证明,也即A’的生成法,Δ≥4和任何u∈V(A)\v,Wu不能属于同一个带孔片图的同一个面Xpi或Ypi,知引理成立.
定理2 若Y是条F,片图X∪Y是4可着色的.
证明 四色条件是存在一一映射Q:Od(F)→OT(X),满足Q(y)是y的删三角形,并且∪{K(y)y∈Od(Y)}=OT(X).若四色条件成立,则有Ts=OT(X)\Q(Od(Y))和(i,j)∈Od(F),Ts=T(ij).取Ts为根,有X的外图生成序{Ts,T2,...,Tn.2},按照这个序的逆序添加满足Q(yi)=Ti的yi对解集删除n-3次,每个删三角形的扩张和删除方向相同,每次删除后都能看到S(Xi+1)的每个解s可以1扩张到X上,i=2,3,...,n-2.所以定理成立.令Y=T1’#Tn-2’,Od(Y)是树,包含路C’=(p0,p1,...,pt),其中(p0,p1)∈E(T1’),(pt-1,pt)∈E(Tn-2’),若y∈Od(Y)\E(C’)则y=(pk,q),k=1,2,...,t-1,定义Q(y)=T(pkq).若y∈E(C’)则y=(pi,pi+1),i=0,1,...,t-1,定义Q(y)=T(pi+1pi).显然Q是一一的.T(pt-1pt)是根三角形.若有Q(y1)=Q(y2)=T’则y1,y2在T’内相交,和引理1矛盾.证明完毕.显然任一三角形都可以是根三角形.
推论 设Od’是Od(Y)的子集,若Od’是树则S(X∪(Od’))非空.
证明 参见引理5的证明.
引理4 设T1≠T2是平面图P中的两个三角形,另外有一条边b∈E(P\(T1∪T2)),b连接T1和T2,若T1是2扩张的,则T2可以取代T1成为2扩张的.
证明 添加边使平面图P成为最大平面图A,存在A的表示A’,其中T1和T2属于OT(X0),是b的端三角形,边b∈Od(Yp0).再把添加的边都删除记作P’.由于S(P)=S(P’)用引理2的方法,可以任取T1或T2为删三角形.即知引理成立.
定理3 片图A=X∪Y是4可着色的.
证明 对nin(Y)用归纳法当nin=1时(图2)有一个内三角形(i,j,k),Y=i’#i∪j’#j∪k’#k.对Y的每个条如i’#i,根据定理2有Qi:Od(i’#i)→OT(X),适当选择根三角形可以使Q=Qi+Qj+Qk为一一的.由引理3(i,j,k)不能在X的一个条中,所以存在Ta=(h,l,o)∈OT(X)\(∪{K(y)y∈Od(Y)}),这时Ta叫u三角形.删去一条(i,j,k)的边(i,k),(i,k)叫(i,j,k)的多余的边,记为Od’=Od(Y)\(i,k),Q1=Q|Od’,Od’是树.图2,令T(ki)是Q1的根三角形.显然Q1满足四色条件,X∪Od’是4可着色的.由于S(X∪Od’)还包含一个u三角形Ta是2扩张的,下面证明因此可以再把(i,k)添加上去.令OT(1#k)={T1,T2,...,Th},其中Th=(p,q,k),Th-1(p,q,j’),...,T1=Ta,叫(i,k)的影响条;对于T2s-1和T2s+1以及bs=E(T2s)\E(T2s-1∪T2s+1),s=1,2,...,h0,其中h0是h/2的整数部分,重复使用引理4,所以当h为奇数时,有Th是2扩张的,然后可添加(i,k).当h是偶数时,若h≥4令r∈V(T3)\V(T1∪T2),于是T3可以写做如T3=(r,h,j’).由于dA(r)≥4在Wr中有三角形(r,s,u)满足E((r,s,u)∩(r,h,j’))=空集.对Ta,(r,h),(r,s,u)和(r,s,u),(r,j’),T2使用引理4有T2可取代Ta成为2扩张.然后T2,T3,...,Th是奇数h-1个,故Th可取代T2成为2扩张.若h=2图2中内三角形是(i,j,j’),(i,j’)是多余的边,用三角形(h,j’,j)取代h≥4证明中的T3也有T2是2扩张的.故定理成立.由于Ta成为1扩张故定义Q|Od’=Q1,Q((i,k))=Ta∈K((i,k)),四色条件成立,任一三角形都可以是根三角形.设nin(Y)=m时定理成立,有一一映射Qm往证nin(Y)=m+1时定理成立.在Y中存在一个内三角形(i,j,k),图2,使Y=Y’∪Yk,Y’和Yk相邻且Y’∩Yk=(i,j),k∈Yk,Yk中只包含一个内三角形(i,j,k),令Oy是所有内三角形多余的边的集,(i,k)∈Oy,Od’=Od(Y)\Oy是树,重复nin=1时的证明可添加(i,k),定义Qm+1((i,k))=Ta.剩下m条多余的边,由归纳法假设知定理成立.任一三角形都可以是根三角形.
显然S(X∪Od(Y))=S(Y∪Od(X)),两者的根三角形记作Tx,Ty.
引理5 设Od’是Ody(A’)的子集,若Od’是树则存在一一映射Q|Od’:Od’→OTx(A’).故S(OTx(A’)∪Od’)非空.
证明 设Od’的根为p0,对Od’中的任一条路(p0,p1,...,pt),定义Q((pj,pj+1))=T(pjpj+1),j=0,1,...,t-1.Q是一一映射.若有Q(y1)=Q(y2)=(u,t,s)∈OT(Xpt),y1和y2的删顶点分别是u,t,则Wur∩Od(Ypt)和Wtr∩Od(Ypt)相交.这是矛盾.
定理4 最大平面图是4可着色的.
证明设A’顶点集V={Apii=0,1,...,k},对|V|用归纳法.|V|=1时定理成立.且任一三角形都可以是根三角形.下面先证|V|=2时成立.其中Ap0∩Ap1=Oc(Z),|V(Z)|=n.图3,n=5,V(Z)={j,u,s,t,k}.添加n-3条边Od(Z)={z1,z2,...,zn-3}使Oc(Z)∪Od(Z)成为所有三角形有公共顶点j的条,图3,Od(Z)={(j,s),(j,t)}.顶点{j,u,s,t,k}也记作{j,u,v1,v2,...,k},其中u,k是条Z的端顶点.添加后,A,Ap0,Ap1记为Az,Ap0z,Ap1z.Ap0z,Ap1z是片图,有一一映射Q0y:Od(Yp0z)→OT(Xp0z),根是Tx,和Q0x:Od(Xp0z)→OT(Yp0z),根是Ty.显然OT(Z)={T1,T2,...,Tn-2}属于OT(Xp1z)∩OT(Yp0z),取Ty=T1.Ap1z也是四色的,有一一映射Q1y:Od(Yp1z)→OT(Xp1z),Q1y(yi)=Ti+1,i=0,1,2,..,n-3.现证如果删除边集Qy={yii=1,2,...,n-3},记作Az\Oy则S(Az\Oy)非空.因为若s∈S(Ap0z)可生成解集s*S(Xjk)*S(Xkt)*....*S(Xuj),其中Xjk,Xkt,,...,Xuj是与Z相邻的Xp1z的子外图.Xp1z=Z∪(∪{Xts(t,s)∈E(Cn)}).当s走遍S(Ap0z)有S(Ap0z∪Xp1)=S(Ap0z)*S(Xjk)*S(Xkt)*...*S(Xuj).它在OT(Xp1)的每个三角形上有2扩张性.然后再添加Od’=Od(Yp1)\Oy到Ap0z∪Xp1,由Q1y|Od’:Od’→OT(Xp1)∪T1是一一映射知S(Az\Oy)非空.下面再证把Od(Z)删去可以将删去的Oy重新添加上去.由于Z是条可设在Q0y中Od(Z)都不是多余的边,zi的删三角形Q0y(zi)∈Wi∩OT(Xp0),Wi={T:T∈OT(A),vi∈V(T)}.Od(Z)删除后Q0y(zi)成为2扩张,i=1,2,...,n-3.情况1,若Ti,i=2,3,...,n-2不是Q1y的u三角形.由引理3 OT(Z)的公共顶点j不能是yi,i=0,1,...,n-3的删顶点,故yi的删顶点只能是图3中的u,s,t,...,k.又由引理3Od(Yp1)中以s为端顶点的内边只能与s为顶点同一个三角形相交,所以yi的删顶点是vi时,vi不能是其他边,如yi-1的删顶点.于是u,s,t,...,k中的每个顶点只能是一个yi的删顶点.可设yi=(c,vi)的删顶点是vi.由引理3只要取Qy(yi)=Q0y(zi)=T(cvi)即可.情况2,若Ti是Q1y的u三角形,不妨设多余的边yi=y1与交于vi=s的两条Ti=T2的边相交.yi的一个端三角形Th在OT(Xus)中,在((Ap0∪Xp1)∩Ws)∪Xus中存在条Q0y(zi)#Th={T1,T2,...,Th},其中T1=Q0y(zi),h是偶数时,T1=(s,s’,s”),因T3是2扩张的,s’和s”中有一个,如s’=V(T1)\V(T2∪T3),由s’是独立顶点和dA(s’)≥4故有T’∈Ws’,E(T’∩(s,s’,s”))=空集.对T3,(s,s’),T’和T’,(s’,s”),T2使用引理4有T2可取代T3成为2扩张,Th可取代T2成为2扩张.故也有Qy(yi)=Q0y(zi),Q0y(zi)也叫u三角形,显然u三角形Q0y(zi)∈OTx(A)\(∪{K(y):y∈Ody(A’)}),i=2,...,n-3.Qy(y0)的定义分两种请况1,Q1y的根∈OT(Xp1),定义Qy(y0)=Tx∈Wu∩OT(Xp0z).Qy的根三角形=Q1y的根三角形∈OT(Xp1).2,Q1y的根三角形=T1∈OT(Z),定义Qy(y0)=Q1y(Y0)∈OT(Xp1),Qy的根三角形∈OT(Xp0z).由于Q1y的根三角形可任选所以Qy的根三角形可任选.所以Qy=Q0y+Q1y:Ody(A)→OTx(A).同理Qx=Q0x+Q1x:Odx(A)→OTy(A).故|V|=2时定理成立.上面的证明中也可以把Od(Z)中的边都作为多余的边,Od(Z)删除后有关的OT(Xp0)中的u三角形成为2扩张,然后再在Ap0中用zi的端三角形T(js)等取代u三角形成为2扩张(见定理3的证明),最后重复上面的讨论.也可以不添加Od(Z)证明如下.在Ap0中,边b=(t,s)∈Oc(Z),有Ap0的子条H(b)=t#s是b的所在条.令H2=∪{H(b):b∈Oc(Z)},Hz是的Xp0子外图.设y=(h,p)∈Od(Yp1),y和Oc(Z)中的边(j,u),(s,t)相交,则y和Xp0∪Xp1的三个子条h#(j,u),Hy,(s,t)#p相交,其中Hy是Hz的子条,h#(j,u),(s,t)#p是Xp1的子条,H’=h#(j,u)∪Hy∪(s,t)#p叫y在Xp0∪Xp1中的所在子图.这是片图中y=(i,j)所在条i#j定义的推广.设y1是Yp1中的内三角形T”的边,y1和T”的另外两条边y2’和y3’有在Xp0∪Xp1中的所在子图H1’,H2’和H3’.显然T”的u三角形=OT(H1’∩H2’∩H3’).设s∈(s,t)#p∩Hz,y=(h,p)的影响条可以写做Hz’∪Ws’∪(s,t)#p,其中Hz’是Hz的子条,Ws’是Ws的子条,它跨越2个带孔片图,是片图影响条定义的推广.因此类似定理3可用影响条来证明.设|V|=m时成立往证|V|=m+1时成立.令A={Apm,Ap1}其中Ap1是A的叶子,它和顶点数为m的带孔Cn的最大平面图Apm相邻.用Apm,Odx(Apm),Ody(Apm),OTx(Apm),OTy(Apm),Qmy和Ap1,Odx(Ap1),Ody(Ap1),OTx(Ap1),OTy(Ap1),Q1y替换|V|=2证明中的Ap0和Ap1的对应项用相同方法知成立,Qy=Qmy+Q1y:Ody(A)→OTx(A).其中y=(h,p)∈Od(Yp(m+1))的所在子图和影响条可能跨越(m+1)个带孔片图.又令A={Apm,Ap0}其中Ap0包含A的根,Apm通过cn和A的根相邻,用Apm,Odx(Apm),Ody(Apm),OTx(Apm),OTy(Apm),Qmx和Ap0,Odx(Ap0),Ody(Ap0),OTx(Ap0),OTy(Ap0),Q0x替换|V|=2证明中的Ap0和Ap1的对应项用相同方法知Qx=Qmx+Q0x:Odx(A)→OTy(A).|V|=m+1时定理成立,任一三角形都可以是根三角形.对任一T∈OT(A)存在A的一个表示使T=Tx∈OTx(Ap0),易知S(T)可扩张到X0,然后相邻的Xp1,...,Xps,再然后相邻的Xp(s+1),...直到所有的OTx(A).
参考文献[1]K.Appel and W.Haken Every planer map is four colorable.Ball.Amer.Math.Soc扩张76.711-71权利要求
1.一种填色盘,是一种智力玩具,其特征是包括一个圆盘(1),圆盘的边界圆周(3)有不同于内部的颜色;另有V个(整数)小立方体棋子(2),每个小立方体的六个面,染有选定的四种颜色之一,放在圆周的叫顶点的固定位置,把圆周分为V段,每段叫界边;在圆内有两种不同颜色的连接顶点的弦(各有V-3条,同一界边上的两顶点不连接),分别叫内边(4)和外边(5),任意二内边(或外边)都不相交。
全文摘要
一种填色盘智力玩具,包括一个圆盘,圆盘的边界圆周有不同于内部的颜色。另有V个(整数)小立方体棋子,每个棋子的六个面,染有选定的六种颜色之一,放在圆周的叫顶点的固定位置,把圆周分为V段,每段叫界边。顶点向上的一面可以有选定的(6,5或)4种颜色之一。叫做顶点的颜色。另外再用两种颜色的笔在圆内各画V-3条连接顶点的弦(同一界边上的两顶点不连接),分别叫内边和外边,任意二内边(或外边)不相交。同一条边(界,内或外边)两端的顶点叫相邻。游戏规则是对每个顶点选取6,5或4种颜色之一使它和相邻的顶点有不同的颜色。
文档编号A63F9/06GK1879922SQ200510026880
公开日2006年12月20日 申请日期2005年6月17日 优先权日2005年6月17日
发明者崔世泰 申请人:崔阿年