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隣り合う領域は違う色にする|地図と円グラフの塗り分け

横に並んだ 4 つの領域を 3 色で塗り分けると 24 通り。同じ 4 領域でも、円形に並んでいれば 18 通りになります。

差は両端が接するかどうかだけ。塗り分けの問題は、どの領域とどの領域が隣り合うかを先に書き出せば片づきます。

塗る順を決めて 1 つずつ

塗り分けは、領域を 1 つずつ塗っていく作業です。塗るたびに、すでに塗った隣の色が選べなくなる。

隣り合う領域を違う色にすることを、正しい塗り分けといいます[1]

塗る順を工夫すると、段ごとの選択肢の数がそろいます。そろえば掛け算で済む。

一列に並ぶ場合

領域が横一列に 個並び、隣どうしだけが接しているとします。 色で塗る。

左端は 通り。以降は直前と違えばよいので 通りずつです。

3 色で 4 領域なら 通り。4 色で 5 領域なら 通り[1]

輪になると両端が接する

同じ 4 領域でも、円グラフのように輪になっていると、いちばん端どうしも隣り合います。

一列の値から、両端が同じ色になっている場合を引きます。両端が同じ色なら、その 2 つをまとめて 個の輪と見られる。

個の輪の通り数を とすると、次の関係になります。

3 色なら、三角形の から順に

閉じた式もあります[1]

なら で合いました。

3 色4 色
一列 4 領域24108
輪 4 領域1884
一列 5 領域48324
輪 5 領域30240

中心がある形

円を中心の 1 つと、そのまわりの扇形に分ける形もよく出ます。中心はすべての扇形と接しています。

中心を先に塗ります。 通り。残る扇形は、中心と違う色でなければならないので 色しか使えません。

外側の扇形どうしは輪になっているので、 色での輪の塗り分けになる。

例:中心と 3 つの扇形

4 色で、中心 1 つと外側 3 つを塗り分けます。

中心が 4 通り。外側の 3 つは互いに隣り合っていて、中心とも違う色でなければならない。残る 3 色を 3 つの扇形に並べる形です。

通りなので、 通り。

式でも確かめます。 で一致しました。

例:中心と 4 つの扇形

同じく 4 色で、外側が 4 つの場合。

通りです。

3 色だと外側に使えるのが 2 色だけになります。 通り。外側は 2 色を交互に置くしかない。

どの領域とどの領域が接しているかを書き出す

多くの領域と接している領域から先に塗る

残りが一列か輪かを見て式を選ぶ

例:田の字

正方形を 4 つに分けた形です。上下と左右は接しますが、対角は角で触れているだけなので接しません。

角だけで触れている領域は、隣り合うとは数えません[2]。だから 4 領域が輪になった形と同じになる。

3 色で 18 通り、4 色で 84 通りです。対角を隣り合うと誤ると、まったく違う答えになります。

角で触れているだけの領域を隣り合うと数えるかどうかで、答えが変わります。ふつうは数えません。

辺を共有していれば隣り合う。1 点だけで接している場合は、違う色にする必要がない。

例:色をすべて使う場合

「4 色すべてを使って塗り分ける」と指定されると、条件が 1 つ増えます。

一列 4 領域を 4 色すべてで塗るなら、4 領域に 4 色を 1 つずつ配ることになる。全部違う色なので、隣り合う条件は自動的に満たされます。

通りです。

一般には、使う色の数で場合分けして引き算します。4 色までで塗る 108 通りから、3 色以下で塗る場合を引く形になる。

3 色以下で塗るのは、色の選び方 通りに を掛けて 96。ただし 2 色以下を引きすぎているので足し戻します。

24 通りで、直接数えた値と合いました。

例:地図の形をした問題

県や国の形で出される問題も、接している組を書き出せば同じになります。

まず接する組を一覧にする。次に、いちばん多くの領域と接しているところから塗る。

接する数が最大の領域を後回しにすると、そこだけ選択肢が場合によって変わり、掛け算が崩れます。

何色あれば足りるか

平面の地図は、どんな形でも 4 色あれば塗り分けられます。1976 年にアッペルとハーケンが計算機を使って証明しました[2]

ただし、角だけで接する領域を別の色にする必要はない、という約束のもとでの話です。この約束がないと、必要な色数はいくらでも増えます。

高校の問題で「何色必要か」を問われるのは、ごく小さい図に限られます。実際に塗ってみるのが速い。

一列や木の形

輪ができない。 で押し切れる

輪がある形

両端が接する。引き算か閉じた式に切り替える

例:三角形を 4 つに分ける

大きい三角形を、中点を結んで 4 つの小三角形に分けます。真ん中の 1 つが、外側の 3 つすべてと接する形。

中心と 3 つの扇形の場合とまったく同じ構造です。4 色なら 24 通り、3 色なら 通り。

3 色では塗り分けられません。真ん中と外側 3 つで、互いに接する 4 領域ができているためです。

円を 5 つの扇形に等分し、隣り合う扇形を違う色にします。3 色で塗り分ける方法は何通りですか。

  • 48 通り
  • 30 通り
  • 32 通り
__RESULT__

輪の式から 通りです。48 は一列に並べた で、両端が接することを見落とした値になります。

よくある誤り

輪の形に一列の式を当てる。両端が接するぶんを引きます
角で触れているだけの領域を隣り合うと数える。辺を共有していなければ別扱いです
接する組を書き出さずに塗り始める。図を見ただけでは見落とします
接する数が多い領域を後回しにする。先に塗ると選択肢がそろいます
「すべての色を使う」条件を見落とす。指定があれば引き算が要ります
中心のある形で、外側に使える色数を減らし忘れる。中心と違う色に限られます
塗り分けられない場合を計算だけで済ませる。0 通りになる形もあります

隣り合う組を書き出して、輪があるかどうかを見る。この 2 つで、使う式が決まります。

参考文献

[1] が正しい塗り分けと一列や輪の個数、[2] が 4 色定理と隣接の約束、[3] が塗り分けの個数を多項式で表す考え方、[4][5] が各国語での基本の数え方です。

Graph coloring - Wikipedia
Four color theorem - Wikipedia
Chromatisches Polynom - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
Rule of product - Wikipedia
横に並んだ 4 領域を 3 色で塗ると 24 通り、同じ 4 領域が輪になると 18 通りです。差は両端が接するかどうかだけ。接する組を先に書き出し、多くの領域と接しているところから塗ると、選択肢の数がそろって掛け算になります。輪がある形での引き算、中心がある形での色数の減り方、田の字で対角を隣り合うと数えない理由まで扱いました。3 色では塗り分けられない形も出てきます。