Transcription de la vidéo
Dans ma vidéo sur le problème de la division du cercle, j’ai fait
référence à la formule caractéristique d’Euler. Et ici, je voudrais partager une preuve particulièrement intéressante de
ce fait. C’est très différent de la preuve inductive généralement donnée, mais je
n’essaie pas de dire qu’elle est en quelque sorte meilleure ou plus
facile à comprendre que d’autres preuves. Au lieu de cela, j’ai choisi ce sujet pour illustrer un exemple de
l’incroyable notion de la dualité, et de la façon dont elle produit
des calculs très raffinés.
Voyons d’abord ce que dit le théorème. Si vous tracez des points avec des droites entre eux, c’est-à-dire un
graphe, et si aucune de ces droites ne se croise, c’est-à-dire que
vous avez un graphe planaire, et si votre graphe est connexe, alors
la formule d’Euler nous indique que le nombre de points moins le
nombre de droites plus le nombre de régions où ces droites coupent
le plan, y compris cette région extérieure, sera toujours égal à
deux.
Parce qu’Euler parlait à l’origine de polyèdres tridimensionnels
lorsqu’il a trouvé cette formule, qui n’a été redéfinie que plus
tard en fonction de graphes planaires, alors au lieu de points, nous
disons sommets ; au lieu de dire des droites, nous parlons d’arêtes
; et au lieu de dire régions, nous disons faces. Par conséquent, nous écrivons la découverte d’Euler comme suit : 𝑠 moins
𝑎 plus 𝑓 égale deux.
Avant de décrire la preuve, je dois passer en revue trois éléments de la
terminologie de la théorie des graphes : les cycles, les arbres
couvrants et les graphes duals. Si vous connaissez déjà certains de ces sujets et ne vous intéressez pas
à voir comment je les décris, n’hésitez pas à cliquer sur
l’annotation appropriée pour avancer.
Imaginez une petite créature assise sur l’un des sommets. Appelons-la Randolph. Si nous considérons les arêtes comme quelque chose le long de laquelle
Randolph peut se déplacer, d’un sommet à l’autre, nous pouvons
raisonnablement parler d’un « chemin » comme étant une suite
d’arêtes que Randolph pourrait suivre, sans lui permettre de revenir
en arrière sur la même arête.
Un cycle est simplement un chemin qui se termine sur le même sommet où il
commence. Vous pourrez peut-être deviner à quel point les cycles seront importants
pour nos objectifs, puisqu’ils entoureront toujours un ensemble de
faces.
Imaginons maintenant que Randolph souhaite accéder à tous les autres
sommets, mais que les arêtes coûtent cher, il n’achètera donc
l’accès à une arête que si cela lui donne un chemin vers un sommet
intact. Cette frugalité le laissera avec un ensemble d’arêtes sans cycles, car
une arête bouclant un cycle serait toujours inutile.
En général, un graphe connexe sans cycles est appelé un arbre, ainsi
nommé car nous pouvons le déplacer et le faire ressembler à un
système de branches, et tout arbre à l’intérieur d’un graphe qui
touche tous les sommets est appelé un arbre couvrant.
Avant de définir le graphe dual, qui risque d’être confus, il est
important de rappeler pourquoi les gens s’intéressent vraiment aux
graphes en premier lieu.
J’étais en train de mentir tout à l’heure quand j’ai dit qu’un graphe est
un ensemble de points et de droites ; en fait c’est un ensemble de
n’importe quoi avec n’importe quelle notion de connexion, mais nous
représentons généralement ces choses par des points, et ces
connexions par des droites.
Par exemple, Facebook entretient un graphe énorme, où les sommets sont
des comptes et les arêtes, des amitiés. Bien que nous puissions utiliser des dessins pour représenter ce graphe,
le graphe lui-même est l’ensemble abstrait de comptes et d’amitiés,
complètement distinct du dessin.
Toutes sortes de choses sont des graphes non dessinés: l’ensemble des
mots anglais, considérés connexes quand ils diffèrent d’une lettre;
des mathématiciens, considérés comme connexes s’ils ont écrit un
document ensemble; des neurones connectés par des synapses, ou
peut-être, pour ceux d’entre nous qui raisonnons à propos du tracé
réel d’un graphe sur le plan, nous pouvons prendre l’ensemble des
faces que ce graphe coupe dans le plan, et en considérer deux qui
partagent une arête comme connexes.
En d’autres termes, si vous pouvez tracer un graphe sur le plan sans
croiser les arêtes, vous obtenez automatiquement un deuxième graphe
non encore dessiné, dont les sommets sont les faces et dont les
arêtes sont les arêtes du graphe d’origine. Nous appelons cela le dual du graphe d’origine.
Si vous voulez représenter le graphique dual avec des points et des
droites, commencez par insérer un point dans chacune des faces. Personnellement, j’aime bien visualiser le point pour cette région
extérieure comme un point situé quelque part à l’infini, où vous
pouvez vous déplacer dans n’importe quelle direction pour vous y
rendre.
Ensuite, reliez ces nouveaux points à de nouvelles droites qui passent
par les centres des anciennes droites, où les droites connectées au
point à l’infini peuvent disparaître de l’écran dans n’importe
quelle direction, à condition que toutes les droites se rencontrent
au même point.
Mais gardez à l’esprit que ceci n’est qu’un dessin du graphe dual, tout
comme la représentation des comptes Facebook et des amitiés par des
points et des droites n’est qu’un dessin du graphe social ; le
graphe dual lui-même est la collection des faces et des arêtes.
La raison pour laquelle j’insiste sur ce point est de souligner que les
arêtes du graphe d’origine et les arêtes du graphe dual ne sont pas
juste liées ; elles sont la même chose.
Vous voyez, ce qui rend le graphe dual si impressionnant, ce sont les
nombreuses façons dont il est lié au graphe d’origine. Par exemple, les cycles du graphe d’origine correspondent aux composantes
connexes du graphique dual, et de même, les cycles du graphe dual
correspondent aux composantes connexes du graphe d’origine.
Maintenant pour la partie amusante. Supposons que notre ami Randolph ait un alter égo, Mortimer, vivant dans
le graphe dual, se déplaçant de face à face au lieu de sommet en
sommet, passant ainsi sur les arêtes.
Disons que Randolph a acheté toutes les arêtes d’un arbre couvrant et
qu’il est interdit à Mortimer d’y passer. Il s’avère que les arêtes auxquelles Mortimer a droit sont garanties de
former un arbre couvrant du graphe dual.
Pour voir pourquoi, il suffit de vérifier les deux propriétés qui
définissent les arbres couvrants : ils doivent permettre à Mortimer
d’accéder à toutes les faces, et il ne peut y avoir de cycles.
La raison pour laquelle il a toujours accès à toutes les faces est qu’il
faudrait un cycle dans l’arbre couvrant de Randolph pour l’isoler
d’une face, mais les arbres ne peuvent pas avoir de cycles.
La raison pour laquelle Mortimer ne peut pas traverser un cycle dans le
graphe dual est totalement symétrique. S’il le pouvait, il séparerait un ensemble des sommets de Randolph du
reste, de sorte que l’arbre couvrant dont il est banni n’aurait pas
pu couvrir tout le graphe.
Ainsi, non seulement le graphe planaire a un graphe dual, mais tout arbre
couvrant de ce graphe a toujours un arbre couvrant dual dans le
graphe dual.
Voici le hic : le nombre de sommets dans un arbre est toujours un de plus
que le nombre d’arêtes. Pour voir cela, notez qu’après avoir commencé avec le sommet racine,
chaque nouvelle arête donne exactement un nouveau sommet.
Dans notre récit, vous pouvez également penser que Randolph commence avec
un sommet et en gagne exactement un de plus pour chaque arête qu’il
achète dans ce qui deviendra un arbre couvrant. Puisque cet arbre couvre tous les sommets de notre graphe, alors le
nombre de sommets est égal à un de plus que le nombre d’arêtes
appartenant à Randolph.
De plus, comme les arêtes restantes constituent un arbre couvrant dans le
graphe dual de Mortimer, le nombre d’arêtes qu’il obtient correspond
à un de plus que le nombre de sommets du graphe dual, qui sont des
faces du graphe original.
En rassemblant tout ça, cela signifie que le nombre total d’arêtes est
deux de plus que le nombre de sommets plus le nombre de faces, ce
qui correspond exactement à la formule d’Euler.