Graphe biparti

Supposons qu'un graphe est décomposé en deux partitions ${\displaystyle U}$ et ${\displaystyle V}$ telles que toute arête relie un sommet de ${\displaystyle U}$ à un sommet de ${\displaystyle V}$. Considérons un cycle quelconque. Ce cycle passe alternativement par les deux parties ${\displaystyle U}$ et ${\displaystyle V}$ avant de rejoindre le sommet de départ et a donc une longueur paire.

Construction des deux partitions dans un graphe ne comportant que des cycles de longueur paire : l'arbre couvrant est en rouge, on colore les sommets en bleu et blanc alternativement depuis sa racine ${\displaystyle r}$.

La réciproque est quelque peu plus dure à démontrer. Supposons que l'on ait un graphe ${\displaystyle G}$ qui ne comporte que des cycles de longueur paire. Pour simplifier, supposons également que ${\displaystyle G}$ est connexe (si jamais il ne l'était pas, on pourrait raisonner individuellement sur chaque composante connexe).

Comme ${\displaystyle G}$ est connexe, il possède un arbre couvrant ${\displaystyle T}$. Notons ${\displaystyle r}$ une racine de cet arbre. Créons deux ensembles de sommets ${\displaystyle U}$ et ${\displaystyle V}$ de la manière suivante :

• ${\displaystyle U}$ contient ${\displaystyle r}$ et tous les sommets de ${\displaystyle T}$ se trouvant à un nombre pair d'arêtes de ${\displaystyle r}$ ;
• ${\displaystyle V}$ contient les sommets de ${\displaystyle T}$ se trouvant à un nombre impair d'arêtes de ${\displaystyle r}$.

Les ensembles de sommets ${\displaystyle U}$ et ${\displaystyle V}$ sont disjoints et contiennent tous les sommets de ${\displaystyle G}$. Cela ne suffit cependant pas à montrer que ${\displaystyle G}$ est biparti : en effet, rien ne garantit a priori que l'on n'ait pas une arête « en trop » de ${\displaystyle G}$ qui relie deux sommets de ${\displaystyle U}$, par exemple.

Considérons deux sommets ${\displaystyle x}$ et ${\displaystyle y}$ de ${\displaystyle G}$ dans une même partie (${\displaystyle U}$ ou ${\displaystyle V}$) et reliés par une arête ${\displaystyle e}$. Le chemin qui relie ${\displaystyle x}$ à ${\displaystyle y}$ dans ${\displaystyle T}$ est forcément de longueur paire, par construction de ${\displaystyle U}$ et de ${\displaystyle V}$. Si l'on ajoute l'arête ${\displaystyle e}$, on obtient un cycle de longueur impaire, ce qui est interdit par hypothèse.

Il n'est donc pas possible d'avoir de tels sommets ${\displaystyle x}$ et ${\displaystyle y}$ reliés en « court-circuit ». Toutes les arêtes du graphe relient des sommets de ${\displaystyle U}$ à des sommets de ${\displaystyle V}$, ce qui achève de montrer que ${\displaystyle G}$ est biparti.