SEMINAR TUGAS AKHIR
RAINBOW CONNECTION PADA GRAF 1-CONNECTED
VOENID DASTI 0810432041 Jurusan Matematika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Andalas
Figure:
List of Contents
1 Pendahuluan
Latar Belakang
2 Landasan Teori
Defenisi dan Terminologi Graf Terminologi
Pewarnaan Graf
3 Rainbow Connection pada Graf 1-Connected
List of Contents
1 Pendahuluan
2 Landasan Teori
3 Rainbow Connection pada Graf 1-Connected
4 Kesimpulan dan Saran
Latar Belakang
• 1736. Leonhard Euler (Swiss). Jembatan K¨onigsberg, di Rusia timur.
Latar Belakang
• 1736. Leonhard Euler (Swiss). Jembatan K¨onigsberg, di Rusia timur.
Figure: Masalah Jembatan K¨onigsberg
Latar Belakang
• 1736. Leonhard Euler (Swiss). Jembatan K¨onigsberg, di Rusia timur.
Latar Belakang
• 2006. Chatrand dkk. Konsep rainbow connection . Dapat digunakan untuk pengamanan pengiriman informasi rahasia antar lembaga. Selain itu, rainbow connection dimotivasi oleh interpretasi menarik di bidang jaringan.
• Misalkan G diinterpretasikan sebagai suatu jaringan (misalnya, jaringan selular). Akan disampaikan rute pesan antara dua titik penerima, acceptor , dengan syarat bahwa rute antara kedua titik (atau dapat dilihat sebagai sisi pada path ), diberikan suatu saluran yang berbeda (misalnya, frekuensi yang berbeda). Jelas bahwa yang ingin diminimalkan adalah banyaknya saluran berbeda yang digunakan dalam jaringan. Bilangan ini adalah rainbow connection number rc(G) [3]. Dalam skripsi ini dikaji kembali tentang rainbow connection pada graf 1-connected.
Perumusan Masalah
Penentuan rainbow connection number pada graf dapat lebih mudah dilakukan setelah mengelompokkan graf berdasarkan diameter, derajat, keterhubungan (connectivity) graf atau berdasarkan parameter lain. Dalam skripsi ini akan dikaji kembali rainbow connection number graf berdasarkan keterhubungan (connectivity) dan derajat minimumnya.
Batasan Masalah
• Pengkajian kembali rainbow connection number pada skripsi ini dibatasi pada graf terhubung G tak trivial 1-connected dengan derajat minimum δ(G) ≥ 3.
Tujuan
Pada penelitian yang dilakukan oleh Caro dkk [3] pada tahun 2008, Caro membuat konjektur, yaitu jika G suatu graf dengan n titik dan δ(G) ≥ 3 maka rainbow connection number rc(G) ≤ (3n)4 . Konjektur tersebut terbukti benar untuk graf 2-connected [3]. Tujuan penulisan ini adalah untuk mengaji kembali kebenaran konjektur tersebut untuk graf 1-connected. .
List of Contents
1 Pendahuluan
2 Landasan Teori
3 Rainbow Connection pada Graf 1-Connected
4 Kesimpulan dan Saran
Defenisi Graf
Definisi 2.1
Suatu graf G didefinisikan sebagai pasangan himpunan
(V (G), E(G)) dengan V (G) adalah himpunan titik (vertex ) tak kosong dan E(G) adalah himpunan sisi (edge) yang menghubungkan titik-titik pada G.
Terminologi
(cut vertex ) adalah suatu titik yang jika diambil dari suatu graf terhubung akan menyebabkan graf menjadi tak terhubung. Blok (block ) adalah suatu graf terhubung yang tidak
mempunyai cut vertex.
Jembatan (bridge) adalah suatu sisi pada graf yang jika diambil dari suatu graf terhubung, akan menyebabkan graf tersebut menjadi tak terhubung.
Latar Belakang
• cut vertex
Latar Belakang
• cut edge
Figure: s sebagai jembatan (bridge)
Pewarnaan
• Pewarnaan titik (vertex coloring), yaitu pemberian warna berbeda pada setiap titik-titik yang saling bertetangga.
• Pewarnaan sisi (edge coloring), yaitu pemberian warna berbeda pada sisi yang bertetangga.
• Pewarnaan bidang, yaitu pemberian warna pada bidang sehingga tidak ada bidang yang bertetangga mempunyai warna yang sama.
Rainbow Connection Pada Graf
Didefenisikan pewarnaan c : E(G) 7→ {1, 2, ..., k}, kN dimana dua sisi bertetangga tidak perlu berwarna berbeda.
Rainbow Connection Pada Graf
Jalan (walk ) dari titik v0 ke titik vn di G adalah barisan
hingga
v0, e1, v1, e2, v2, ..., vn−1, en, vn
sedemikian sehingga vi−1vi ∈ E(G), untuk i = 1, 2, ..., n.
Lintasan (path ) adalah jalan yang semua titik dan sisinya berbeda.
Suatu lintasan u-v path P dikatakan lintasan rainbow path jika tidak terdapat dua sisi di P yang memiliki warna sama.
Figure: Rainbow Path
Rainbow Connection Pada Graf
G dikatakan bersifat rainbow connected jika terdapat satu rainbow path yang menghubungkan setiap dua titik berbeda di G
Rainbow Connection Pada Graf
Jarak u ke v, d(u,v) adalah panjang lintasan terpendek dari u ke v. Untuk dua titik u dan v di G, rainbow u-v geodesic pada G adalah rainbow u-v path yang panjangnya d(u, v) adalah jarak antara u dan v (panjang u-v path terpendek di G)
Figure: rainbow u-v geodesic
Rainbow Connection Pada Graf
Pewarnaan sisi yang menyebabkan G bersifat rainbow connected disebut rainbow coloring .
Rainbow connection number dari graf terhubung G, ditulis rc(G), adalah banyak warna minimal yang diperlukan untuk membuat G bersifat rainbow connected. Suatu rainbow coloring yang menggunakan warna sebanyak rc(G) dikatakan minimum rainbow coloring
Rainbow Connection Pada Graf
Graf G dikatakan strongly rainbow connected jika G memiliki suatu rainbow u-v geodesic untuk setiap dua titik u dan v di G. Dalam kasus ini, pewarnaan c dikatakan strong rainbow coloring di G.
Figure: rc(G) dan src(G)
Keterhubungan
Suatu graf G disebut terhubung jika untuk setiap dua titik dari graf terdapat lintasan yang menghubungkan kedua titik tersebut.
Graf G2 adalah graf 1-connected
Rainbow Connection
Proposisi 2.4.1 [2]
Misalkan G suatu graf terhubung (connected) berukuran m. Maka
(a) src(G) = 1 jika dan hanya jika G suatu graf lengkap, (b) rc(G) = 2 jika dan hanya jika src(G) = 2,
(c) rc(G) = m jika dan hanya jika G merupakan suatu graf pohon.
Rainbow Connection
Proposisi 2.4.2 [2]
Untuk setiap bilangan n ≥ 4, rc(Cn) = src(Cn) = dn/2e
Graf lingkaran dengan banyak titik n, dinotasikan dengan Cn,
adalah graf sederhana (tidak memuat loop atau sisi ganda) yang memiliki derajat 2 pada setiap titiknya. X
List of Contents
1 Pendahuluan
2 Landasan Teori
3 Rainbow Connection pada Graf 1-Connected
Graf dengan konektivitas 1
Pada graf G dengan konektivitas κ(G) = 1, konsep rainbow connection diperluas dengan menambahkan syarat, yaitu ...
..
. untuk sebarang dua sisi di G, sisi-sisi tersebut memiliki warna berbeda bilamana berada pada blok yang berbeda di G. ...
.
Rainbow connection number yang bersesuaian dengan penamba-han syarat ini dinotasikan dengan rc∗(G).
Dari defenisinya, jelas bahwa rc(G) ≤ rc∗(G) untuk setiap graf G dan rc(G) = rc∗(G) untuk setiap graf 2-connected G.
Rainbow Connection Number rc
∗(G)
Pada graf dengan κ(G) = 1, akan dibuktikan teorema berikut:
Teorema 3.3.1
Jika G suatu graf terhubung dengan n banyaknya titik, κ(G) = 1 dan δ(G) ≥ 3 maka rc∗(G) ≤ 3n−104 .
Batas 3n−104 tidak dapat dikurangkan karena terdapat graf terhubung 3 − regular dengan
Graf terhubung 3-regular G dengan rc
∗(G) =
3n−104 Suatu graf terhubung 3 − regular dapat dikonstruksi dengan langkah-langkah berikut :1 Ambil dua vertex disjoint pada graf hasil penggandaan graf
K5− (P3∪ P2) dan beri label dua titik berderajat 2 dengan
w1 dan w2k+2 dengan k ≥ 1, k bilangan bulat.
2 Hubungkan w1 dan w2k+2 melalui suatu lintasan dengan
panjang 2k + 1 dan beri label titik-titik pada lintasan tersebut dengan w1, w2, ..., w2k+2.
3 Untuk 1 ≤ i ≤ k, setiap sisi w2iw2i+1 diganti dengan suatu
graf K4− e dan tandai dua titik yang berderajat 2 di
K4− e dengan w2i dan w2i+1.
4 Graf yang diperoleh dari proses di atas adalah graf G4k+10
yang merupakan graf terhubung 3 − regular dengan n = 4k + 10 dan
rc∗(G4k+10) = rc(G4k+10) = diam(G4k+10) = 3k+5 = 3n−104
Graf terhubung 3-regular
contoh : untuk k = 1, diperolah G14 yang merupakan graf
terhubung 3 − regular :
Teorema 3.3.1
Sebelum membuktikan teorema 3.3.1 diatas, terlebih dulu dibuktikan proposisi 3.3.1 dan akibat 3.3.1 berikut :
Proposisi 3.3.1
Misalkan G suatu graf 2-connected dengan n banyak titik dan barisan derajatnya 2 ≤ d1 ≤ d2 ≤ ... ≤ dn. Jika d3 ≥ 3 maka
rc(G) ≤ 2n−23 untuk 4 ≤ n ≤ 7 dan rc(G) ≤ 2n−13 untuk n ≥ 8.
Akibat 3.3.1
Misalkan G suatu graf 2-connected dengan n banyaknya titik dan barisan derajat 2 ≤ d1 ≤ d2 ≤ ... ≤ dn. Jika d3 ≥ 3, maka
rc(G) ≤ 3n−44 .
Proposisi 3.3.1
Bukti Proposisi 3.3.1
Misalkan H suatu subgraf terhubung maksimal dari G dan rc(H) ≤ 2h3 − 1 dengan h adalah banyak titik di H. Klaim H tersebut ada.
Karena G suatu graf 2-connected dan d3 ≥ 3, maka n ≥ 4.
Berdasarkan teorema Dirac [6], circumference c(G) pada G memenuhi c(G) ≥ min{n, 2δ(G)} ≥ 4. Selanjutnya, pandang beberapa kasus:
z Circumference G, dinotasikan dengan c(G), merupakan panjang dari lingkaran terpanjang di G.
Bukti Proposisi 3.3.1 (2)
Kasus 1. Jika n=4, maka rc(G) ≤ 2 ≤ 2.4−23 .
Jika c(G) = 4 maka G ∼= K2,n−2, yang kontradiksi dengan
d3 ≥ 3 untuk n ≥ 5.
Jadi dapat diasumsikan bahwa c(G) ≥ 5
Kasus 2. Jika n = 5 = c(G) maka G memuat C5+ e sebagai
subgraf dan rc(G) ≤ 2 ≤ 2.5−23 .
Bukti Proposisi 3.3.1 (2)
Kasus 3. Jika n = 6.
Subkasus 1 Jika c(G) = 5, maka dengan menjadikan H sebagai
C5 dengan satu sisi yang ditambahkan, diperoleh
rc(G) = 3 = 2.63 − 1.
Subkasus 2 Jika c(G) = 6, maka dengan menjadikan C6
sebagai H, didapat rc(C6) = 3 [2]. look, it is
Bukti Proposisi 3.3.1 (2)
Kasus 4. Jika n > 5
Subkasus 1 Jika c(G) ∈ {6, 8} maka rc(Ck) = k2 ≤ 2k3 − 1
untuk k = 6, 8.
Subkasus 2 Jika c(G) = 7 = n maka rc(C7) = 4 = 2.7−23 .
Subkasus 3 Jika c(G) = 7 < n maka dengan menjadikan H sebagai suatu C7 dengan suatu sisi yang
ditambahkan, didapat rc(H) = 4 < 2.83 − 1.
Subkasus 4 Jika c(G) = k ≥ 9 maka
rc(Ck) = dk2e ≤ k+12 ≤ 2k3 − 1.
Bukti Proposisi 3.3.1 (4)
Kemudian, klaim h ≥ n − 2. Bukti Klaim
• Asumsikan bahwa h < n − 2, ini berarti terdapat tiga titik berbeda yang terletak diluar H,yaitu w1, w2, w3 yang
masing-masing memiliki dua tetangga yang berada di dalam H (tetangga-tetangga dari titik wi tidak perlu
berbeda dengan tetangga-tetangga dari titik wj).
• Titik-titik w1, w2, w3 dapat ditambahkan ke graf H
sehinggaa terbentuk suatu subgraf yang lebih besar, H0, dengan h + 3 titik.
Bukti Proposisi 3.3.1 (4)
Kemudian, klaim h ≥ n − 2. Bukti Klaim• Anggap ei, fi adalah dua sisi yang menghubungkan wi
dengan H. Dua warna dapat digunakan untuk mewarnai keenam sisi, yaitu e1, e2, e3 diwarnai dengan warna yang
sama dan f1, f2, f3 memiliki warna lain yang sama pula.
Bukti Proposisi 3.3.1 (5)
Sehingga diperoleh:
rc(H0) ≤ rc(H) + 2 ≤ 2h3 − 1 + 2 = 2(h+3)3 − 1 kontradiksi dengan pernyataan bahwa H merupakan subgraf maksimal
Bukti Proposisi 3.3.1 (6)
• Ini berarti bahwa, jika terdapat tiga titik diluar H maka sekurang-kurangnya salah satu dari titik-titik tersebut, katakanlah w, memiliki sifat bahwa untuk suatu lintasan terpendek dari H ke H yang melewati w, memiliki panjang tidak kurang dari 3 ( perhatikan bahwa pasti terdapat suatu path karena G adalah graf 2-connected ).
• Misalkan uw1w2...wtv suatu lintasan dengan u, vV (H),
w1, ..., wt∈ V (H) dan t ≥ 2. Titik-titik w/ 1, ..., wt
ditambahkan ke H sehingga membentuk suatu subgraf H0 yang lebih besar dengan h + t banyaknya titik.
Bukti Proposisi 3.3.1 (6)
• Misalkan uw1w2...wtv suatu lintasan dengan u, vV (H),
w1, ..., wt∈ V (H) dan t ≥ 2. Titik-titik w/ 1, ..., wt
ditambahkan ke H sehingga membentuk suatu subgraf H0 yang lebih besar dengan h + t banyaknya titik.
Bukti Proposisi 3.3.1 (7)
• Jika t ganjil maka t + 1 sisi lintasan diberi t+12 warna baru. Paruh pertama beri warna berbeda pada sisi-sisi nya, dan urutan warna yang sama diwarnakan pada paruh kedua. Hal ini menunjukkan bahwa H0 bersifat rainbow connected
Bukti Proposisi 3.3.1 (7)
• t genap, maka t + 1 sisi lintasan diwarnai dengan 2t warna. Sisi tengah, wt/2wt/2+1, diberi warna yang sudah muncul di
H. 2t sisi pertama pada lint diberi warna menggunakan warna baru yang berbeda dan pada 2t sisi terakhir, warna-warna tersebut diulang dengan urutan sama.
Bukti Proposisi 3.3.1 (8)
Proses ini menunjukkan bahwa H0 bersifat rainbow connected dan diperoleh : rc(H0) ≤ rc(H) + d2te ≤ 2h 3 − 1 + d t 2e ≤ 2(h+t) 3 − 1
kontradiksi dengan pernyataan bahwa H subgraf maksimal. Jadi, haruslah h ≥ n − 2
• Setelah membuktikan bahwa h ≥ n − 2,
• jelaslah bahwa rc(G) ≤ 2(n−2)3 − 1 + 2 = 2n−1
3
• Bukti Proposisi 3.3.1 selesai | {z }
Proposisi 3.3.1 dan Akibat 3.3.1
Proposisi 3.3.1 X
Misalkan G suatu graf 2-connected dengan n banyak titik dan barisan derajatnya 2 ≤ d1 ≤ d2 ≤ ... ≤ dn. Jika d3 ≥ 3 maka
rc(G) ≤ 2n−23 untuk 4 ≤ n ≤ 7 dan rc(G) ≤ 2n−13 untuk n ≥ 8.
Akibat 3.3.1 X
Misalkan G suatu graf 2-connected dengan n banyaknya titik dan barisan derajat 2 ≤ d1 ≤ d2 ≤ ... ≤ dn. Jika d3 ≥ 3, maka
rc(G) ≤ 3n−44 .
Endblock
Berikut akan ditentukan struktur endblocks.
Endblock adalah block yang mempunyai tepat satu cut vertex. Misalkan B={K4, K5, K5− e, K5− P3, K5− 2P2, K5− (P3∪ P2)}. Diperoleh: rc(K4) = rc(K5) = 1 dan rc(K5−e) = rc(K5−P3) = rc(K5−2P2) = rc(K5−(P2∪P3)) = 2.
Endblock
Figure: rc(G)=1
Endblock
Endblock
Untuk BB, misalkan B ∪ K2 suatu endblock dengan
penambahan K2.
• Jika B{K4, K5, K5− e, K5− 2P2} maka K2 dapat
ditambahkan ke sebarang titik di B.
Figure:
Endblock
Untuk BB, misalkan B ∪ K2 suatu endblock dengan
penambahan K2.
• Jika B{K4, K5, K5− e, K5− 2P2} maka K2 dapat
ditambahkan ke sebarang titik di B.
Endblock
• Jika B{K5− P3, K5− (P3∪ P2)} maka K2 dapat
ditambahkan pada titik berderajat 2 dalam K5− P3 atau
K5− (P3∪ P2).
Figure:
Endblock
Sekarang, klaim berikut dapat dibuktikan.
Klaim 1. Misalkan G suatu graf terhubung dengan δ(G) ≥ 3. Jika G = G1∪ G2 dengan V (G1) ∩ V (G2) = w untuk w suatu cut vertex dan |V (G1)| ≤ 6 maka G1 ∼= B atau G1 ∼= B ∪ K2 untuk beberapa BB
Klaim 2. Jika BB suatu endblock maka rc(B) ≤ 3n−74 dan rc(B ∪ K2) ≤ 3n−64 .
Teorema 3.3.1
Klaim 3. Misalkan G suatu graf terhubung den-gan suatu cut vertex w. Jika G = G1 ∪ G2 dan V (G1) ∩ (V (G2)) = w, dG1(w) ≥ 2, dG2(w) ≥ 1, V |(G1)| ≥ 6 dan
V |(G2)| ≥ 7. Maka dengan induksi didapat rc∗(G) ≤ 3n−104 . Bukti Klaim 3. Konstruksi dua graf, yaitu H1 dan H2 : H1 = (K5− P3) ∪ G2. Identifikasi titik berderajat 2 dalam K5 − P3 dengan w dari G2.
H2 = G1∪ K2∪ (K5− P3), identifikasi satu titik di K2 dengan w di G1 dan titik lain dari K2 dengan titik berderajat 2 dalam K5− P3.
Teorema 3.3.1
Diperoleh : ...(bukti klaim)
|V (H1)| = |V (K5− P3)| + |V (G2)| − 1 < |V (G1)| + |V (G2)| − 1 =
|V (G)| dan
|V (H2)| = |V (K5−P3)∪K2)|+|V (G1)|−1 < |V (G2)|+|V (G1)|−
Figure:
Teorema 3.3.1
...(bukti klaim) dengan induksi didapat rc∗(H1) ≤ 3n(H41)−10 dan rc∗(H2) ≤ 3n(H42)−10
yang mengakibatkan
rc∗(G2) ≤ 3(n(G2)+4)−104 − 2 = 3n(G42)−6 dan
rc∗(G1) ≤ 3(n(G1)+5)−104 − 3 = 3n(G41)−7.
Hasil ini memberi persamaan
rc∗(G) = rc∗(G1) + rc∗(G2) ≤ 3n(G41)−7 +3n(G42)−6
= 3(n(G1)+n(G2)−1)−10
4 =
3n−10
4 .
block graf pohon T dari G.
Misalkan V (T ) = {w1, w2, ..., b1, b2, ...}, dimana wi adalah suatu
cut vertex pada G dan bi merupakan blok Bi dari G. wibjE(T )
jika dan hanya jika wi insiden dengan Bj di dalam G. Amati
pengamatan berikut :
• 1 Jika Bi suatu endblock dari G (bi merupakan daun dari
(T )) maka |V (Bi| ≥ 4, karena δ ≥ 3.
• 2 Jika dT(w) ≥ 4 untuk suatu cut vertex w dari G maka
G = G1∪ G2 dengan G1∩ G2 = w serta kedua graf G1 dan
G2 memuat paling sedikit dua block nontrivial. Kemudian
|V (Gi)| ≥ 2.4 − 1 = 7 untuk i = 1, 2 Jadi dapat diasumsikan bahwa 2 ≤ dT(w) ≤ 3 untuk setiap cut vertex w.
block graf pohon T dari G.
• 3 Jika suatu cut vertex w berderajat 3, maka
G = G1∪ G2∪ G3 . Dari argumen pada observasi kedua di
atas, masing-masing Gi memuat tepat satu block nontrivial
yang merupakan endblock. |V (Gi)| ≤ 6 untuk 1 ≤ i ≤ 3,
untuk nilai i yang lain dapatkan dengan induksi. Dari |V (G)| = |V (G1)| + |V (G2)| + |V (G3)| − 2 didapatkan rc∗(G) ≤ 3n(G1)−6 4 + 3n(G2)−6 4 + 3n(G3)−6 4 = 3n−12 4 ≤ 3n−10 4 .
• 4 Jika suatu titik b berderajat p ≥ 3 maka B berinsiden dengan p cut vertices w1, w2, ..., wp . Sehingga
G = B ∪ G1∪ G2∪ ... ∪ Gp. Maka rc∗(G) ≤ 2n(B)3 + Σp i=13n(G4i)−6 ≤ 3n(B)−1 4 + 3(n+p−n(B))−6p 4 = 3n−1−3p 4 ≤ 3n−10 4 .
graf pohon blok T dari G.
Jadi dapat diasumsikan bahwa M (T ) = 2 dan dengan demikian T adalah suatu path. G memuat paling banyak satu inner block nontrivial B. Jadi untuk path T , struktur-struktur block
berikut dapat terbentuk :
1 B1, B2. Sehingga rc∗(G) ≤ 3n(B1)−7 4 + 3n(B2−7) 4 = 3n−11 4 < 3n−10 4 . 2 B1, K2, B2. Sehingga rc∗ ≤ 3n(B1∪K2)−6 4 + 3n(B2)−7 4 = 3n−10 4 . 3 B1, B, B2. Sehingga rc∗(G) ≤ 3n(B1)−7 4 + 3n(B)−4 4 + 3n(B2)−7 4 = 3n−12 4 < 3n−10 4 . 4 B1, K2, B, B2. Sehingga rc∗ ≤ 3n(B1∪K2)−4 4 + 3n(B)−6 4 + 3n(B2)−7 4 = 3n−11 4 < 3n−10 4 . 5 B1, K2, B, K2, B2. Sehingga rc∗(G) ≤ 3n(B1∪K2)−6 4 + 3n(B)−4 4 + 3n(B2∪K2)−6 4 = 3n−10 4 .
List of Contents
1 Pendahuluan
2 Landasan Teori
3 Rainbow Connection pada Graf 1-Connected
4 Kesimpulan dan Saran
Kesimpulan
Jika graf terhubung G dengan κ(G) = 1 dan δ(G) ≥ 3, maka pada pembahasan skripsi ini telah diperoleh bahwa
rc∗(G) ≤ 3n−104 < 3n4 , dengan n adalah banyak titik di G. Dengan rc(G) adalah rainbow connection number pada graf terhubung tak trivial G dan rc∗(G) adalah rainbow connection number pada graf 1-connected tak trivial..
Terima Kasih
Figure: