离散数学 图论基础知识总结

无序对:
两个元素构成的集合{a,b}称为无序对,
A,B为两个集合,则 {{a,b}|aAbB}AB 构成的无序积

笛卡尔积的区别在于构成笛卡尔积是由有序对构成
无序积 中的无序对的两个元素不分次序同时又可以是相同的

多重集合
集合中的元素可以重复出现,和Multimap 或 Multiset 中类似

重复度为元素在多重集合中出现的次数

无向图

一个无向图G是一个二元组 <V,E>, 即 G=<V,E>
V是顶点集,是一个非空的有穷集合(意思为一个无向图里面至少有一个顶点,并且顶点的个数是有限的)
E是边集,它是无序积V&V的一个有穷的多重子集 通俗来说就是 可以存在重边,以及自环

有向图
D=<V,E>
和无向图的区别就是 边是有方向的

几个概念

n阶图 : 有n个顶点
零图 : 没有边
平凡图:只有一个顶点,没有边,即一阶零图
空图:没有点,没有边记为 在定义中规定顶点集非空,但是在图的运算中可能产生空图

在无向图G=<V,E>中,设边e=(vi,vj)E vi,vje的端点
那么 evi(vj)
如果 vivj 那么 vi(vj)e 的关联次数为1
如果vi=vj 那么 vi(vj)e的关联次数为2
vk不是e的端点 那么vke的关联次数为0

简单来说
如果这条边是自环 那个这个环所连的点与这个环的关联次数为2
如果是一条边 那么边的两个端点与这条边的关联次数为1
其他点与这条边的关联次数自然就为0了

在无向图中

如果两个顶点之间至少有一条边 这两个点 相邻
如果两条边有一个共同的点 这两条边相邻

有向图
D=<V,E> 中, e=<vi,vj>∈E vi,vje的两个端点
vie的起点
vje的终点
evi,vj关联
vivj有一条边 那么这两个顶点相邻
称为
vi邻接vj
vj邻接vi
如果一条边的终点是另一条边的起点 那么这两边相邻
比如这样

离散数学 图论基础知识总结

此图中 e1e2 相邻

在无向图和有向图中

没有边关联的点 是 孤立点
两个端点重合的边 是 环

顶点的度数
无向图G=<V,E> viV 那么vi连了几条边 那么它的度数就是多少
度记为dG(vi) 简记为d(vi)
每个环给端点提供的度数为2

有向图D=<V,E> viV
出度:vi作为边的起点次数 (即有多少条边从它指向另一个端点) 记为d+(vi)
入度:vi作为边的终点次数 (即有多少条边指向它) 记为d(vi)
度数:作为边的端点次数 记为d(vi)
显然
d(vi)=d+(vi)+d(vi)

度数为1的顶点为悬挂顶点
与悬挂顶点关联的边称为悬挂边
最大度:Δ=max{d(v)|vV(D)}
最小度:δ=min{d(v)|v intV(D)}
最大出度:Δ+=max{d+(v)|vV(D)}
最小出度:δ+=min{d+(v)|vV(D)}
最大入度:Δ=max{d(v)|vV(D)}
最小入度:δ=min{d(v)|vV(D)}

握手定理
各顶点的度数之和为边数的两倍
i=1nd(vi)=2m
推论
任何图中,度数为奇数的顶点个数是偶数

简单证明:
所有度数之和必为偶数(由握手定理)
奇数个奇数+(偶数个或者奇数个)偶数 = 奇数
矛盾

定理6.2

所有顶点入度之和((i=1)nd+(vi))=所有顶点出度之和(i=1nd(vi))=边数(m)

度数列
V={v1,v2,,vn} 为n阶图G的顶点集
d(v1),d(v2),,d(vn) 为G的度数列

对于有向图 可继续划分为 出度列和入度列

几个概念
平行边
在无向图中,关联一对顶点的无向边多余1条,这些边统称为平行便
重数
平行边的条数成为重数

有向平行边
有向图中,关联一对顶点的有向边多于1条,并且起点和终点相同(或者理解为方向相同)

多重图
含平行边的图

简单图
既不含平行边也不含环的图

显然 n阶简单无向图
Δn1

无向完全图
记为Kn
简单说:每对顶点之间都有一条边的无向简单图
m=Cn2=n(n1)2

有向完全图
简单说:每对顶点之间均有两条方向相反的边的有向简单图
m=2Cn2=n(n1)

k正则图
无向简单图中,各顶点度数均等于k
由握手定理知 n阶k正则图中边数m=kn2

n阶无向圈图
共有n条边,并且边的顺序是按点的顺序
直接给图:
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边集E={<v1,v2>,<v2,v3>,<v3,v4>,<v4,v1>}
记为Cn

n阶有向圈图
和n阶无向圈图一样,只不过边加上了方向
给图:
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边集E={<v1,v2>,<v2,v3>,<v3,v4>,<v4,v1>}
记为Cn

n阶轮图
就是在无向圈Cn1(n4) 内放置一个顶点,使得该顶点与Cn1上的每个顶点相邻
所得的简单图 即为n阶轮图,记为Wn

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n方体图
简单来说,就是每个顶点与它相邻的顶点,他们的顶点标号的二进制表示只有一位不同 记为Qn

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子图

G=<V,E>,G=<V,E>
两图都是无向图,或者两图都是有向图
如果GG
那么GGGG 记为GG
如果GG 那么GG
如果V=V 那么 GG (简单来说:生成子图就是 包含母图的所有顶点,但是包含一部分边(或者全部边))

如果E1E
并且V1为以E1中的边关联的顶点全体为顶点集的G的子图
称为E1的导出子图 记作G[E1]

简单来说,就是取母图中的一个子边集,并且这些边的两端的端点构成子点集。

补图

就是在原图中,保留所有顶点,然后加边,使得原图变成完全图Kn 然后去掉原有的边,所得的图就是补图
G¯=V&V - G

ps:原图和补图互为补图

如果
G¯G 那么称它们为自补图

图的同构
简单来说 如果其中一个图通过变换可以变成另一个图,那么两图同构 记为G1G2
或者说 若它们都是标定图,可以通过调整一个图的顶点次序,使得G1G2有相同的度数列,那么两图同构

图的连通性
通路
G=<V,E>,GΓ=v0e1v1e2elvl
要求:vi1eiviei i=1,2,,l
那么Γv0vl
ΓΓ
v0=vl那么称通路为回路 (简单来说,就是通路的起点和终点一样)

简单通路
Γ,便是简单通路
v0=vl 那么称Γ

初级通路
Γ 称为初级通路或路径
v0=vl 那么称Γ 为初级回路或圈
长度为奇数的圈为奇圈,长度为偶数的圈为偶圈

复杂通路
在初级通路的基础上,ΓΓ
v0=vl 复杂回路

备注
在无向图中,长度为1的圈由环给出,长度为2的圈由两条平行边给出,在无向简单图中,圈长至少为3,。
在有向图中,长度为1的圈由环给出。在有向简单图中,圈长至少为2

定理6.3
在一个n阶图中,若从顶点uv(uv)存在通路,则从uvn1
简单证明:把通路中重复出现的顶点去掉,这条通路就变成初级通路,既然顶点各异,边各异,长度必然n1

定理6.4
在一个n阶图中,如果存在v, 则从v到自身存在长度不超过n的初级回路
简单证明:也是把重复顶点去掉

无向图连通性
vivj 那么vivj
规定vi

连通图
无向图G是平凡图(一阶零图,即只有一个顶点,没有边)或者G中任意两个顶点都是连通的,则称G是连通图
否则称G是非连通图

连通分支
在原图的一个子图中,其中任意两个顶点都是相互可达,并且其中的任意顶点与子图以外的顶点都是不可达,那么称这个子图为连通分支(连通块)
连通分支的个数记为p(G) 对于一个连通图,p(G)=1

短程线
vivj线vivj
短程线的长度称为vivj
记为d(vi,vj)vivjd(vi,vj)=

三条性质
d(vi,vj)0vi=vj
d(vi,vj)+d(vj,vk)d(vi,vk)
d(vi,vj)=d(vj,vi)

点割集
如果删去原图中的一些点,使得原图的连通性被破坏,或者说连通分支数量增加,并且如果少删一些点不能导致破坏连通性,那么这些点的集合称为点割集,如果点割集中只有一个点,那么称其为割点

备注:悬挂顶点不可能出现在点割集中

边割集
删去一些边,使得破坏连通性,并且少删一条都不行。 这些边组成的集合称为边割集,简称割集。若只有一条边,则称该边为割边或者桥

备注
1° 完全图Kn无点割集
2° n阶零图既无点割集,也无边割集
3° 若G是连通图,EG的边割集,那么p(GE)=2
4° 若G是连通图,VG,则p(GV)2p(GV)>2

点连通度
κ(G)=min{|V||VGV使(GV)}
那么称κ(G)G

边连通度
λ(G)=min{|E||EG}
那么称λ(G)G

备注
Gκ(G)=λ(G)=0min=0
GKn,Gn1Gκ(G)=n1
Gκ(G)=1Gλ(G)=1

定理6.5
对于任何无向图G,有
κ(G)λ(G)δ(G)

有向图连通性
D=<V,E>vi,vjD
vivjvivjvi
vjvivivj
vivj线线vivj

弱连通图或连通图
DD

单向连通图
D

强连通图
D

D
DD
DD

图的矩阵表示

无向图的关联矩阵
G=<V,E>,V={v1,v2,,vn},E={e1,e2,,em}
mijviej,(mij)n×mGM(G)

mij
0(viej)
1(viej)
2(ejvi)

五条性质
i=1nmij=2M(G)2
i=1mmij=d(vi)M(G)ivi
i=1nd(vi)=i=1nj=1m=j=1mi=1n=i=1m2=2m()
jkejek
j=1mmij=0vi

有向无环图的关联矩阵
有向图中的mij
1(viej)
0(viej)
1(vie)j)

五条性质
1° 每列恰有一个1和一个-1(规定图中无环)
2° 1的总个数等于-1的总个数,等于边数
i1vi1vi
jkejek
i0vi

有向图的邻接矩阵
设有向图D=<V,E>,V={v1,v2,,vn},|E|=m,aij(1)vivj(aij(1))n×nDA(D)

两条性质
ivi
jvj

定理6.6
Al(l1)aij(l)vivjli,jaij(l)Dliaij(l)Dl

推论
Bl=A+A2++Al(l1),Blbij(l)Dl

可达矩阵
1vivj
0

三条性质
线1pij=1,iin
DP(D)1
pij=1bij(n1)0,1i,jnij

欧拉通路
G
欧拉回路
G
欧拉图
具有欧拉回路的图

定理6.10
判断欧拉图
GG
DD

哈密顿通路
G
哈密顿回路
G
哈密顿图
G

三个性质


G

定理6.12
若删去一些点后,连通分支数>删去的点数,那么这个图一定不是哈密顿图

推论
有割点的图一定不是哈密顿图

定理6.13
Gn(n3)Gu,v,
d(u)+d(v)n1G
d(u)+d(v)nGG

推论
Gn(n3)δ(G)n2,G

定理6.14
n(n2)D=<V,E>KnD