Graham-Pollak Theorem

문제

(Graham, Pollak 1972) Prove that the edge set of $K_n$ cannot be partitioned into the edge-disjoint union of less than $n-1$ complete bipartite subgraphs. Also, prove that this bound is tight.

스포 방지선

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(증명) $K_n$의 각 정점을 $1, 2, \cdots , n$이라 하자. 우선 $n-1$개의 완전 이분 그래프로 $K_n$을 분할하는 것은 쉽다. 

귀류법으로, 완전 이분 그래프 $B_1 , B_2, \cdots B_m$이 $K_n$을 분할한다고 하자. (단, $m \le n-2$다.)

또한, 각 완전 이분 그래프 $B_k$ 안에서 두 disjoint independent set을 $L_k, R_k$라고 부르자.

즉, $B_k$의 간선은 $L_k$의 정점과 $R_k$의 정점 사이를 모두 연결한 것이다.

다음 조건을 만족하도록 $K_n$의 정점 $v$에 실수 $x_v$를 놓자. 

조건 1: 모든 $1 \le k \le m$에 대하여, $\displaystyle \sum_{v \in L_k} x_v = 0$이고, $\displaystyle \sum_{v=1}^n x_v = 0$ 

조건 2: $\displaystyle \sum_{v=1}^n x^2_v \neq 0$이다. 즉, 모든 $v$에 대해 $x_v$가 전부 $0$은 아니다.

이것이 가능함을 보이자. 기초적인 선형대수학을 알면 쉽게 보일 수 있다.

조건 1은 식의 개수가 $m+1$개인 하나의 Homogeneous한 연립방정식을 이룬다. 

변수의 개수가 $n$개이고 $m+1 < n$이므로, 이 연립방정식은 non-trivial 해를 가진다. 

그러므로 조건 1, 2를 만족하도록 정점 $v$에 실수 $x_v$를 놓을 수 있다. 

이제 $B_1 , B_2, \cdots B_m$이 $K_n$의 edge set을 완벽하게 분할하므로, 다음 식이 성립한다.

$$\sum_{1 \le i < j \le n} x_ix_j = \sum_{k=1}^m \left(\displaystyle \sum_{i \in L_k} x_i \right) \cdot  \left(\displaystyle \sum_{j \in R_k} x_j \right)$$

이제 조건 1에 의해, 우변은 $0$이다. 그러면 결국 $\displaystyle \sum_{1 \le i < j \le n} x_ix_j = 0$인데, 다시 조건 1에서 $\displaystyle \sum_{v=1}^n x_v = 0$이다.

이 식을 제곱하고 정리하면 $\displaystyle \sum_{v=1}^n x^2_v = 0$을 얻고, 이는 조건 2와 모순이다. $\blacksquare$