Dimostrazione.
Dimostriamo le implicazioni
.
.
Supponiamo per assurdo che esistano due diversi cammini in
che congiungono
e
. Siano questi
,
(i.e.
e
e per ogni
si ha che
).
Dato che i due cammini sono diversi esiste un
tale che
, sia
quindi
il minimo per cui ciò succede. Dato che
esiste un
tale che
per qualche
, sia
il minimo di tali
ed
tale che
. Allora
è un ciclo (si veda figera
9).
.
Chiaramente
è connesso, dato che dati comunque due suoi vertici esiste (e
per giunta è unico) un cammino che li congiunge.
Sia
, allora l'unico cammino in
tra
e
è dato da
, quindi non esiste alcun cammino tra
e
che non contenga il
lato
, pertanto
è sconnesso.
.
Proviamo innanzitutto che
non ha cicli. Infatti se
fosse un ciclo in
, allora detto
, il grafo
risulterebbe
connesso. Infatti siano
, e sia
un cammino che li
congiunge. Allora o nessuno dei lati di tale cammino coincide con il lato
,
ed in tal caso
è un cammino anche in
, oppure un lato è uguale a
. In questa evenienza esiste
tale che
e, a
meno di riordinare in ordine inverso i vertici del cammino, possiamo supporre
cghe
e
. Ma allora
risulta essere una
passeggiata in
che congiunge
e
(vedi figura 10).
Proviamo ora che ha dei cicli. Siano
tali che
. Dato che
è connesso, esiste un cammino che congiunge
a
. Sia questo
. Evidentemente allora
è un ciclo in
.
.
Dobbiamo provare che
è connesso (sappiamo già che non ha cicli). Siano
. Se
non c'è nulla da provare, dato che
è un cammino che congiunge
a
. Se
, allora
sappiamo che il grafo
contiene un ciclo, sia questo
. Chiaramente uno dei lati del ciclo deve essere
proprio
, dato che altrimenti il ciclo sarebbe in
(che non ha
cicli!). Supponiamo quindi
e
. Il cammino
è allora un cammino in
che
congiunge
a
.
Dimostrazione.
Sia
un cammino di lunghezza massima, proviamo che
e
sono due foglie. Se per assurdo
allora esisterebbe
tale che
e
. Osserviamo che allora non
potrebbe essere
per qualche
, perché in tal caso, detto
il
minimo di tali
si avrebbe che
sarebbe un ciclo, contro
l'ipotesi che
sia un albero. Ma allora
sarebbe un
cammino di lunghezza maggiore di quella di
, che è assurdo.
In modo analogo si prova che anche è una foglia. (Oppure ci si riconduce
al caso precedente, prendendo il cammino
).
Dimostrazione.
. Procediamo per induzione su
. Se
la tesi è vera. Supponiamo che
, e sia
una sua
foglia (che esiste per il lemma precedente, ora
è un albero ed inoltre
. Per ipotesi
di induzione si ha allora che
. Dobbiamo provare che
non ha cicli.
Procediamo ancora per induzione su
. Se
la tesi
è vera. Supponiamo che
. Proviamo innanzitutto che
ha
una foglia. Dalla relazione tra numero di vertici e numero di lati, e dalla
relazione che lega il numero di lati con i gradi dei
vertici, si ottiene
Dato che è connesso e
, anche
è
connesso.
Inoltre, poiché
e
, si ha che
. Per ipotesi di induzione allora
è un
albero. Ma allora
non ha cicli, in quanto i vertici di un ciclo hanno tutti
grado almeno
e quindi un ciclo in
non potrebbe passare per
, ossia
sarebbe contenuto in
contraddicendo il fatto che
è un albero.