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Due disegni, un grafo

Cinque vertici, gli stessi archi, due fogli. Sul primo due curve si tagliano. Sposti un vertice e sul secondo il taglio non c’è più.

Animazione: cinque vertici e gli stessi archi. Nel primo disegno due archi si incrociano, nel secondo l'incrocio è sparito.
Figura 1. Uno stesso grafo. Il conteggio degli incroci passa da 1 a 0 perché si spostano i vertici, non perché cambi un arco.

Un grafo è un insieme di vertici e un insieme di archi. Ogni arco è una coppia di vertici.

Un disegno mette i vertici nel piano e traccia gli archi come curve. Due disegni rappresentano lo stesso grafo quando esiste una corrispondenza biunivoca fra i vertici che conserva le adiacenze.

Due disegni sono isomorfi quando quella corrispondenza esiste. Sono lo stesso grafo.

La figura 1 è un grafo solo. Il numero di incroci non è un invariante. Le animazioni di questo pezzo sono disegni fatti per la serie. La sequenza, due fogli poi $K_4$, $K_5$, $K_{3,3}$ e la suddivisione, segue il video di Tivadar Danka. [1]

K₄ si scioglie

Quattro vertici, tutti e sei gli archi. È il grafo completo $K_4$. Nel quadrato le due diagonali si incrociano. Porta un vertice dentro il triangolo degli altri tre e l’incrocio sparisce.

Animazione di K4: le diagonali del quadrato si incrociano, poi un vertice entra nel triangolo e l'incrocio sparisce.
Figura 2. $K_4$ è planare. Esiste un disegno senza incroci.

Un grafo è planare quando esiste un disegno nel piano in cui le curve degli archi si incontrano solo nei vertici comuni.

K₅ no

Cinque vertici, tutti e dieci gli archi. È $K_5$. Puoi spostare i pallini quanto vuoi. Il contatore della figura non arriva a zero: si ferma a un incrocio.

Animazione di K5: dal pentagono con molti incroci a un disegno con un solo incrocio, che non sparisce.
Figura 3. $K_5$. Quattro vertici si sistemano come un $K_4$ planare. Il quinto costringe un incrocio.

Il conto che ti autorizza a smettere di cercare è corto. In un grafo piano semplice e connesso, con almeno tre vertici, ogni faccia ha almeno tre archi e ogni arco sta sul bordo di al massimo due facce, quindi $2e \ge 3f$. La formula di Eulero, faccia esterna compresa, è

$$ v - e + f = 2. $$

Da lì $f = e - v + 2$. Sostituisci e ottieni $e \le 3v - 6$.

Un quadrato con una diagonale: due facce interne e la faccia esterna. Sotto, v uguale 4, e uguale 5, f uguale 3, e 4 meno 5 più 3 uguale 2.
Figura 4. Un disegno planare piccolo. Due facce interne, più la faccia esterna. Il conto torna a 2.

$K_5$ ha $v = 5$ e $e = 10$. La soglia è $3 \cdot 5 - 6 = 9$. Dieci archi non ci stanno. Se la disuguaglianza fallisce, un disegno senza incroci non esiste. Se la disuguaglianza tiene, non hai ancora concluso: il grafo può essere non planare lo stesso.

K₃,₃, e perché il conto di prima tace

Due parti da tre vertici. Ogni vertice di una parte è unito a tutti e tre dell’altra, e a nessuno della propria. Nove archi, sei vertici. È il grafo completo bipartito $K_{3,3}$, quello delle tre case e dei tre pozzi.

$3v - 6 = 12$, e $9 \le 12$. Il conto che ha chiuso $K_5$ qui non dice nulla.

$K_{3,3}$ è bipartito: ogni ciclo è pari. In un disegno planare di un grafo bipartito semplice ogni faccia ha almeno quattro archi, quindi $2e \ge 4f$. Con Eulero si ottiene $e \le 2v - 4$. Qui la soglia è $2 \cdot 6 - 4 = 8$, e gli archi sono 9. Il disegno della figura si ferma a un incrocio perché quello è il minimo, non perché il layout sia ancora grezzo.

Animazione di K3,3: due parti di tre vertici, colorate in modo diverso, tutti e nove gli archi. Il contatore scende e si ferma a un incrocio.
Figura 5. $K_{3,3}$. I vertici teal e quelli ambra sono le due parti. Resta un incrocio.

Quello che garantisce Kuratowski

Una suddivisione si ottiene sostituendo archi con cammini. I vertici interni di quei cammini hanno grado 2: sono vertici nuovi, non rami nuovi.

Teorema di Kuratowski. Un grafo finito è planare se e solo se non contiene, come sottografo, una suddivisione di $K_5$ né una suddivisione di $K_{3,3}$.

La garanzia è doppia, ed è tutta lì.

Se esibisci una di quelle suddivisioni, ogni disegno nel piano del grafo intero ha almeno un incrocio lungo quei cammini. Il certificato è il sottografo. Lo puoi controllare: le due parti, i cammini che le congiungono tutte, i vertici di grado 2 in mezzo.

Se nessuna delle due suddivisioni c’è, un disegno senza incroci esiste. L’incrocio della figura 1 era di quel tipo: si toglie spostando i vertici, e il grafo non cambia.

I vertici di grado 2 sono il motivo per cui il teorema parla di suddivisioni, e non solo dei due grafi nudi. Un vertice infilato a metà di un arco non scioglie l’ostruzione.

Animazione: su un arco di K3,3 compare un vertice di grado 2. L'incrocio resta uno.
Figura 6. Il vertice $m$ ha grado 2. È una suddivisione di $K_{3,3}$. L'incrocio resta.

Boyer e Myrvold estraggono una suddivisione di questo tipo in tempo lineare nella taglia del grafo: o il grafo è planare, o il test restituisce un certificato. [2]

Nella tesi triennale l’oggetto era questo: la planarità, il teorema, e l’estrazione del sottografo che fa da certificato.

Una stella si disegna senza incroci. Un ciclo si disegna senza incroci. Una suddivisione di $K_{3,3}$ no. In un grafo di pagamenti i primi due sono figure che un analista riconosce. La terza è il punto in cui la figura è costretta a incrociarsi. La parte 2 sta su quella figura. Il teorema non marca un pagamento come frode.

Fonti

[1] Tivadar Danka, «Graph Theory for Visual Learners», YouTube, 6 ottobre 2026. Il testo che accompagna il video è su The Palindrome. Ci ho preso l’ordine delle figure: due disegni dello stesso grafo, $K_4$ che si scioglie, $K_5$ e $K_{3,3}$ che no, la suddivisione. I disegni di questa pagina sono fatti per il pezzo, non sono fotogrammi del video.

[2] John M. Boyer, Wendy J. Myrvold, «On the Cutting Edge: Simplified O(n) Planarity by Edge Addition», Journal of Graph Algorithms and Applications, 8(3), 2004. Ci ho preso il fatto che il test lineare restituisce un disegno planare oppure una suddivisione di Kuratowski. Il teorema, la disuguaglianza $e \le 3v-6$ e il vincolo bipartito $e \le 2v-4$ sono svolti nel testo.


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