
Cayley公式是說,一個完全圖K_n有n^(n-2)棵生成樹,換句話說n個節點的帶標號的無根樹有n^(n-2)個。今天我學到了Cayley公式的一個非常簡單的證明,證明依賴于Prüfer編碼,它是對帶標號無根樹的一種編碼方式。
給定一棵帶標號的無根樹,找出編號最小的葉子節點,寫下與它相鄰的節點的編號,然后刪掉這個葉子節點。反復執行這個操作直到只剩兩個節點為止。由于節點數n>2的樹總存在葉子節點,因此一棵n個節點的無根樹唯一地對應了一個長度為n-2的數列,數列中的每個數都在1到n的范圍內。下面我們只需要說明,任何一個長為n-2、取值范圍在1到n之間的數列都唯一地對應了一棵n個節點的無根樹,這樣我們的帶標號無根樹就和Prüfer編碼之間形成一一對應的關系,Cayley公式便不證自明了。
注意到,如果一個節點A不是葉子節點,那么它至少有兩條邊;但在上述過程結束后,整個圖只剩下一條邊,因此節點A的至少一個相鄰節點被去掉過,節點A的編號將會在這棵樹對應的Prüfer編碼中出現。反過來,在Prüfer編碼中出現過的數字顯然不可能是這棵樹(初始時)的葉子。于是我們看到,沒有在Prüfer編碼中出現過的數字恰好就是這棵樹(初始時)的葉子節點。找出沒有出現過的數字中最小的那一個(比如④),它就是與Prüfer編碼中第一個數所標識的節點(比如③)相鄰的葉子。接下來,我們遞歸地考慮后面n-3位編碼(別忘了編碼總長是n-2):找出除④以外不在后n-3位編碼中的最小的數(左圖的例子中是⑦),將它連接到整個編碼的第2個數所對應的節點上(例子中還是③)。再接下來,找出除④和⑦以外后n-4位編碼中最小的不被包含的數,做同樣的處理……依次把③⑧②⑤⑥與編碼中第3、4、5、6、7位所表示的節點相連。最后,我們還有①和⑨沒處理過,直接把它們倆連接起來就行了。由于沒處理過的節點數總比剩下的編碼長度大2,因此我們總能找到一個最小的沒在剩余編碼中出現的數,算法總能進行下去。這樣,任何一個Prüfer編碼都唯一地對應了一棵無根樹,有多少個n-2位的Prüfer編碼就有多少個帶標號的無根樹。
一個有趣的推廣是,n個節點的度依次為D1, D2, ..., Dn的無根樹共有(n-2)! / [ (D1-1)!(D2-1)!..(Dn-1)! ]個,因為此時Prüfer編碼中的數字i恰好出現Di-1次。