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图的基本概念 ​

基本概念 ​

无向图 ​

无向图 G=⟨V,E⟩,其中:

  • V≠∅ 是顶点集,元素称为顶点。
  • E 为 V&V 的多重子集,其元素称为无向边,简称边。
    • 其中 & 表示无序积,即 A&B={(a,b) | a∈A∧b∈B} 实例:V={v1,v2,v3,v4,v5},E={(v1,v2),(v1,v3),(v2,v3),(v3,v4),(v4,v5)}

则 G=⟨V,E⟩ 为一无向图。

有向图 ​

有向图 D=⟨V,E⟩,其中:

  • V≠∅ 是顶点集,元素称为顶点。
  • E 为 V×V 的多重子集,其元素称为有向边。

实例:V={v1,v2,v3,v4,v5},E={⟨v1,v2⟩,⟨v1,v3⟩,⟨v2,v3⟩,⟨v3,v4⟩,⟨v4,v5⟩}

相关概念 ​

  • 图
    • 可用 G 泛指图(无向图或有向图)
    • V(G),E(G) 分别表示图 G 的顶点集和边集
    • 用 ek 表示无向边或有向边
    • 用图形表示图时,如果给每一个顶点和每一条边指定一个符号,则称为标定图,否则称为非标定图。
  • n 阶图:|V(G)|=n
  • n 阶零图:n 个顶点,无边
  • 平凡图:即 1 阶零图,只有一个顶点且无边
  • 空图:V(G)=∅

顶点与边的关联关系 ​

  • 无向图:
    • 设 G=⟨V,E⟩,ek=(vi,vj),则称 ek 与 vi 和 vj 相关联,vi 和 vj 称为 ek 的端点。

    • 若 vi≠vj,则称 ek 与 vi 和 vj 的关联次数为 1。

    • 若 vi=vj,则称 ek 与 vi 的关联次数为 2。并称 ek 为环。

    • 若 ek 不与 vi 相关联,则称 ek 与 vi 的关联次数为 0。

    • 若 vi 与 vj 由边 ek 相关联,则称 vi 与 vj 相邻。

    • 若 ei 与 ej 有至少一个公共顶点,则称 ei 与 ej 相邻。

  • 有向图:
    • 设 D=⟨V,E⟩,ek=⟨vi,vj⟩,则称 ek 与 vi 和 vj 相关联。vi 和 vj 为 ek 的端点,vi 为始点,vj 为终点。
    • 若 vi=vj,则称 ek 为 D 中的环。
    • 若 vi 和 vj 由边 ek 相关联,则称 vi 与 vj 相邻。
    • 若 ei 的终点与 ej 的始点相同,则称 ei 与 ej 相邻。
  • 图中没有关联的顶点称为孤立点。

顶点的邻域 ​

  • 无向图:
    • 邻域:NG(v)={u | u∈V(G)∧∃ek=(v,u)∈E(G)∧u≠v}
    • 闭邻域:N―G(v)=NG(v)∪{v}
    • 关联集:IG(v)={ek | ek=(v,u)∈E(G)}
  • 有向图:
    • 后继元集:ΓD+(v)={u | u∈V(D)∧∃ek=⟨v,u⟩∈E(D)∧u≠v}
    • 先驱元集:ΓD−(v)={u | u∈V(D)∧∃ek=⟨u,v⟩∈E(D)∧u≠v}
    • 邻域:ND=ΓD+(v)∪ΓD−(v)
    • 闭邻域:N―D(v)=ND(v)∪{v}

多重图与简单图 ​

  • 平行边:若存在 ek=e0,则称 ek 是 平行边。平行边的个数称为重数。
  • 多重图:存在平行边的图。
  • 简单图:无平行边和环的图。

顶点的度 ​

  • 度:d(v)=|{ek | ek=(v,u)∈E(G)∨ek=⟨v,u⟩∈E(D)∨ek=⟨u,v⟩∈E(D)}|

  • 入度:d−(v)=|{ek | ek=⟨u,v⟩∈E(D)}|

  • 出度:d+(v)=|{ek | ek=⟨v,u⟩∈E(D)}|

  • d(v)=d−(v)+d+(v)

  • Δ(G)=max{d(v) | v∈V(G)} 称为图 G 的最大度

  • δ(G)=min{d(v) | v∈V(G)} 称为图 G 的最小度

    • 类似的可以定义
    • Δ(D) 和 δ(D)
    • Δ+(D) 和 δ+(D)
    • Δ−(D) 和 δ−(D)

握手定理 ​

  • 无向图 G=⟨V,E⟩,则
    • ∑v∈Vd(v)=2|E|=2m
  • 有向图 D=⟨V,E⟩,则
    • ∑v∈Vd+(v)=∑v∈Vd−(v)=|E|=m
    • ∑v∈Vd(v)=∑v∈V(d+(v)+d−(v))=2m

推论:奇度顶点的个数为偶数。

度数列 ​

V={v1,v2,⋯,vn},为无向图 G 的顶点集,称:

  • d(v1),d(v2),⋯,d(vn) 为图 G 的度数列

V={v1,v2,⋯,vn},为有向图 D 的顶点集,称:

  • d+(v1),d+(v2),⋯,d+(vn) 为图 D 的出度数列
  • d−(v1),d−(v2),⋯,d−(vn) 为图 D 的入度数列
  • d(v1),d(v2),⋯,d(vn) 为图 D 的度数列

对于给定的度数列 d1,d2,⋯,dn,若存在一个 n 阶无向图 G,使得 d(v1),d(v2),⋯,d(vn) 为 G 的度数列,则称 d 是可图化的。

非负整数序列 d1,d2,⋯,dn 是可图化的当且仅当:

∑i=1ndi=2是偶数

对任意 n 阶无向简单图 G,满足 Δ(G)≤n−1 和 δ(G)≥0。

图的同构 ​

若存在双射函数 f:V1→V2,使得对于 vi,vj∈V1,

(vi,vj)∈E1⇔(f(vi),f(vj))∈E2⟨vi,vj⟩∈E1⇔⟨f(vi),f(vj)⟩∈E2

且 (vi,vj) 与 (f(vi),f(vj)) 的重数相同,则称 G1 与 G2 同构。 (⟨vi,vj⟩ 与 ⟨f(vi),f(vj)⟩ 的重数相同) 记作 G1≅G2。

图之间的同构关系具有自反性、对称性和传递性。 能找到多条同构的必要条件,但它们全不是充分条件;

  • 边数相同;
  • 顶点数相同;
  • 度数列相同;
    判断两个图同构是个难题

图的分类 ​

完全图与竞赛图 ​

  • n 阶无向完全图:Kn=⟨V,E⟩,其中 V={v1,v2,⋯,vn},E={(vi,vj) | 1≤i<j≤n}
    • m=n(n−1)2
    • Δ=δ=n−1
  • n 阶有向完全图:Knd=⟨V,E⟩,其中 V={v1,v2,⋯,vn},E={⟨vi,vj⟩ | 1≤i≠j≤n}
    • m=n(n−1)
    • Δ=δ=2(n−1)
    • Δ+=δ+=n−1
    • Δ−=δ−=n−1
  • n 阶无向竞赛图:基图为 Kn 的有向简单图。
    • m=n(n−1)2
    • Δ=δ=n−1

正则图 ​

设 G 为 n 阶无向简单图,若 ∀v∈V(G),d(v)=k,则称 G 为 k - 正则图。

m=kn2

子图 ​

G=⟨V,E⟩,G′=⟨V′,E′⟩

  • 子图:G′⊆G,当且仅当 V′⊆V 且 E′⊆E,称 G′ 为 G 的子图,G 为 G′ 的母图。
  • 生成子图:G′⊆G 且 V′=V,称 G′ 为 G 的生成子图。
  • 真子图:V′⫋V 或 E′⫋E,称 G′ 为 G 的真子图。
  • 导出子图:
    • V′⫋V 且 V′≠∅,以 G 中两个端点都在 V′ 中的边组成边集 E′,称 G′=⟨V′,E′⟩ 为 G 的 V′ 导出的子图。记作 G[V′]。
    • E′⫋E 且 E′≠∅,以 G 中两个端点都在 E′ 中的顶点组成顶点集 V′,称 G′=⟨V′,E′⟩ 为 G 的 E′ 导出的子图。记作 G[E′]。

补图 ​

G=⟨V,E⟩,G′=⟨V,E′⟩,其中 E′={(vi,vj) | vi,vj∈V∧(vi,vj)∉E∧i≠j},称 G′ 为 G 的补图。记作 G―。 即添加上 G 中不在 Kn 中的边。

若 G≅G―,则称 G 为自补图。

删除与增加边与顶点 ​

  • 删除边:G−ek=⟨V,E−{ek}⟩
  • 删除顶点:G−vi=⟨V−{vi},E−{ek | ek=(vi,vj)∈E∨ek=⟨vj,vi⟩∈E}⟩
  • 边的收缩:从 G 中删除 e 后,将 e 的两个端点合并为一个顶点,得到的图称为 G 的边的收缩。记作 G∖e。
  • 新加边:G+ek=⟨V,E∪{ek}⟩

在收缩边和新加边的过程可能会产生平行边和环。

通路与回路 ​

设 Γ 为 G 中顶点与边的交替序列,即 Γ=v0e1v1e2⋯elvl 称 Γ 为 G 中的通路,v0,vl 分别称为 Γ 的始点和终点,l 称为 Γ 的长度。

  • 通路与回路:
    • 若 v0=vl,则称 Γ 为回路。
  • 简单通路与简单回路:
    • 所有边互不相同的通路称为简单通路。
    • 所有边互不相同的回路称为简单回路。
  • 初级通路(路径)与初级回路(圈):
    • 顶点互不相同的简单通路称为初级通路。也称为路径。
    • 顶点互不相同的简单回路称为初级回路。也称为圈。
    • 若存在 vi 到 vj 的通路,则必定存在长度小于或等于 n−1 的初级通路。
    • 若存在 vi 回到自身的回路,则必定存在长度小于或等于 n 的初级回路。
  • 复杂通路与复杂回路:
    • 有重复边的通路称为复杂通路。
    • 有重复边的回路称为复杂回路。

环 是长度为 1 的圈。 通路与回路思维导图同构与定义意义下的圈的个数

图的连通性 ​

无向图 ​

  • 顶点之间的连通关系:G=⟨V,E⟩ 为无向图
    • 若 vi 到 vj 有通路,则 vi∼vj
    • ∼ 是 V 上的等价关系
    • 定义 vi 与自身连通
  • G 的连通性与连通分支
    • 连通:若 ∀u,v∈V,u∼v,则称 G 连通
    • 连通分支:V/R=V1,V2,⋯,Vk,Vi 为 G 的连通分支,k=1 时 G 连通。连通分支的个数记为 p(G)。

短线程与距离 ​

  • 短线程:vi 到 vj 的短线程是 vi 到 vj 的最短通路
  • 距离:d(u,v) 是 u 到 v 的短线程的长度
    • d(u,v)≥0
    • u≁v⇒d(u,v)=∞
    • u=v⇒d(u,v)=0
    • d(u,v)=d(v,u)
    • d(u,v)≤d(u,w)+d(w,v)

割点与割边 ​

G=⟨V,E⟩ 为无向图,若存在 V′⫋V,使得 p(G−V′)>p(G),且对于任意 V″⫋V,p(G−V″)=p(G),则称 V′ 为 G 的点割集。 若 V′={v},则称 v 为 G 的割点。

G=⟨V,E⟩ 为无向图,若存在 E′⫋E,使得 p(G−E′)>p(G),且对于任意 E″⫋E,p(G−E″)=p(G),则称 E′ 为 G 的边割集。 若 E′={e},则称 e 为 G 的割边或桥。

连通度 ​

设 G 为无向连通图且不是完全图,则称

κ(G)=min{|V′| | V′ 是 G 的割点集}

为 G 的点连通度,简称连通度。简记为 κ。

  • 完全图:κ(Kn)=n−1
  • 树:κ(T)=1
  • 非连通图:κ(G)=0
  • k-连通图:κ(G)≥k
    • 删除任意 k−1 个顶点后,图仍然连通

称

λ(G)=min{|E′| | E′ 是 G 的割边集}

为 G 的边连通度。简记为 λ。

  • 完全图:λ(Kn)=n−1
  • 树:λ(T)=1
  • 非连通图:λ(G)=0
  • r-边连通图:λ(G)≥r
    • 删除任意 r−1 条边后,图仍然连通
κ≤λ≤δ

有向图 ​

  • 顶点之间的可达关系:D=⟨V,E⟩ 为有向图
    • 若 vi 到 vj 有通路,则 vi 可达 vj,记作 vi→vj
    • 若 vi→vj 且 vj→vi,则称 vi 与 vj 相互可达,记作 vi↔vj
    • 定义 vi 可达自身
    • ↔ 是 V 上的等价关系

短线程与距离 ​

距离记作 d⟨u,v⟩,定义与无向图相同。 类似无向图的定义,只不过无对称性。

连通图 ​

  • 弱连通图:D 的基图是连通图,则称 D 为弱连通图,简称连通图。
  • 单向连通图:∀u,v∈V,u→v 或 v→u,则称 D 为单向连通图。
  • 强连通图:∀u,v∈V,u↔v,则称 D 为强连通图。

强连通 ⇒ 单向连通 ⇒ 弱连通

  • 判定定理:
    • D 单向连通当且仅当 D 中存在经过每个节点至少一次的通路。
    • D 强连通当且仅当 D 中存在经过每个节点至少一次的回路。

图的矩阵表示 ​

关联矩阵 ​

无向图 ​

(mij)n×m=vi 与 ej 相关联的次数 记作 M(G)=(mij)n×m

有向图 ​

(mij)n×m={1,若 vi 为 ej 的始点−1,若 vi 为 ej 的终点0,其他

邻接矩阵 ​

(aij)n×n=vi 到 vj 边的条数 记作 A(D)=(aij)n×n

Aijl 表示 vi 到 vj 的长度为 l 的通路的条数。

可达矩阵 ​

(pij)n×n={1,若 vi 到 vj 可达0,其他 记作 P(D)=(pij)n×n

图的运算 ​

G1=⟨V1,E1⟩,G2=⟨V2,E2⟩

  • 若 V1∩V2=∅,则称 G1 和 G2 是不交的。

  • 若 E1∩E2=∅,则称 G1 和 G2 是边不交的或边不重的。

  • 并图:

    • 边集:E1∪E2
    • 顶点集:V1∪V2
    • 记作 G1∪G2
  • 交图:

    • 边集:E1∩E2
    • 顶点集:V′={v | ∃u,(v,u)∈E1∩E2∨∃u,(u,v)∈E1∩E2}
    • 记作 G1∩G2
  • 差图:

    • 边集:E1−E2
    • 顶点集:V′={v | ∃u,(v,u)∈E1−E2∨∃u,(u,v)∈E1−E2}
    • 记作 G1−G2
  • 环和图:

    • 边集:E1⊕E2=(E1−E2)∪(E2−E1)
    • 顶点集:V′={v | ∃u,(v,u)∈E1⊕E2∨∃u,(u,v)∈E1⊕E2}
    • 记作 G1⊕G2

离散数学复习笔记