سوال ۱۰

پیکاسو نقاش مطرح سبک کوبیسم بود که توانایی نقاشی و رنگ‌آمیزی هرچیزی را داشت. او برای رنگ‌آمیزی درخت‌ها از دو اصل عدم شلختگی و مهم{عدم کسل‌کنندگی} پیروی می‌کرد:

  • عدم شلختگی: هیچ رأسی نباید بیش از دو رنگ متفاوت در میان رأس‌های مجاورش داشته باشد.
  • عدم کسل‌کنندگی: باید از بیشترین تعداد رنگ ممکن در رنگ‌آمیزی رأس‌ها استفاده شود.

چند درخت ده رأسی وجود دارد که پیکاسو آن‌ها را با توجه به اصول رنگ‌آمیزی خود با دقیقاً چهار رنگ مختلف رنگ‌آمیزی می‌کند؟ دو درخت $T_1$ و $T_2$ متفاوت هستند، اگر و تنها اگر یالی مانند $(u, v)$ در درخت $T_1$ بین دو رأس $u$ و $v$ وجود داشته باشد که در درخت $T_2$ قرار نداشته باشد.

  1. ۴۶۰۸۰
  2. ۴۵۹۹۰
  3. ۲۲۸۶۰
  4. ۲۲۹۵۰
  5. ۱۱۴۳۰

پاسخ

گزینه‌ی ۵ درست است.

اگر درختی یک مسیر با $k$ رأس داشته باشد، نقاش حداقل از $k$ رنگ برای رنگ‌آمیزی آن استفاده می‌کند. از طرفی تنها درخت $n$ رأسی که مسیر ۴ رأسی ندارد، گراف $S_n$ (ستاره‌ی $n$ رأسی) است که نقاش آن را با ۳ رنگ، رنگ‌آمیزی می‌کند. این نشان می‌دهد که درخت‌های $n$ رأسی‌ای که پیکاسو آن‌ها را با ۴ رنگ، رنگ‌آمیزی می‌کند، مسیری با ۴ رأس مانند $\langle p_1-p_2-p_3-p_4 \rangle$ دارند. از طرفی $ p_1$ و $ p_4$ رأس مجاور دیگری ندارند؛ در غیر این صورت بلند‌ترین مسیر گراف بزرگ‌‌تر از ۴ خواهد شد. با استدلال مشابهی می‌توان گفت که سایر رأس‌ها دقیقاً به یکی از $p_2$ و $p_3$ متصل هستند.

در انتها دقت کنید از آنجا که رأس‌های مجاور $p_2$ و $ p_3$ حداکثر دو رنگ متفاوت دارند و هر رأسی دقیقاً مجاور یکی از این دو است، گرافی که شرایط فوق را داشته باشد با حداکثر ۴ رنگ، رنگ‌آمیزی می‌شود. مطابق استدلال‌های فوق، به $\binom{10}{2} = 45$ طریق رأس‌های $p_2$ و $p_3$ را انتخاب می‌کنیم و رأس مجاور ۸ رأس باقی‌مانده را به $2^8 - 2 = 254$ طریق انتخاب می‌کنیم. در انتها حاصل برابر با $45 \times 254 = 11430$ می‌شود.