基本图论

发布时间 2023-07-05 23:57:03作者: CheZiHe929

前言

  • 七桥问题

  • 四色问题

  • 汉密尔顿回路

  • 欧拉及拓扑

基本定义

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顶点(vertex)

图中带数字的圆圈就是顶点,表示某个事物或对象。由于图的术语没有标准化,因此,称顶点为点、节点、结点、端点等都是可以的。

边(edge)

图中顶点之间的黑色的线条就是边,表示事物与事物之间的关系。需要注意的是边表示的顶点之间的逻辑关系,粗细长短都无所谓的。包括上面的顶点也一样,表示逻辑事物或对象,画的时候大小形状都无所谓。

图是由一个顶点的集合 \(V\)(vetex) 和一个顶点间关系(边)的集合 \(E\)(edge) 组成的数据结构,记作 \(G=(V,E)\)
\(V\):顶点的优先非空集合。
\(E\):顶点间关系的有限集合(边集)。

有向/无向图(Directed Graph/Undirected Graph)

最基本的图通常被定义为“无向图”,与之对应的则被称为“有向图”。两者唯一的区别在于,有向图中的边是有方向性的,无向图中图的边没有方向,可以双向。其中有向图是从属关系,无向图是并列关系。

完全图、稠密图和稀疏图

假设图中有 \(n\) 个顶点,\(e\) 条边,则:

  • 含有 \(e=n(n-1)/2\) 条边的无向图称作为完全图。
  • 含有 \(e=n(n-1)\) 条弧的有向图称作为有向完全图。
  • 若边较少(\(e<n log n\))

同构(Isomorphism)

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从图(graph)的角度出发,这 \(2\) 个图是一样的,即它们是同构的。前面提到顶点和边指的是事物和事物的逻辑关系,不管顶点的位置在哪,边的粗细长短如何,只要不改变顶点代表的事物本身,不改变顶点之间的逻辑关系,那么就代表这些图拥有相同的信息,是同一个图。

权重(weight)

边的权重(或者称为权值、开销、长度等)也是一个非常核心的概念,即每条边都有与之对应的值。有时候为了应对特殊情况,边的权重可以是零或者负数,也别忘了“图”是用来记录关联的东西,并不是真正的地图。

顶点的度、入度和出度(Degree)

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  • 无向图
    顶点 \(v\) 的度是指与顶点 \(v\) 相连的边的数目 \(D(v)\)
    此图中 \(D(2)=3\)

  • 有向图
    入度:以该顶点为终点的边的数目和。此图中 \(ID(3)=2\)
    出度:以该顶点为起点的边的数目和。此图中 \(OD(2)=1\)
    有向图的度:等于该顶点的入度与出度之和。
    此图中,\(D(5)=ID(5)+OD(5)=1+1=2\)

度数为奇数的顶点叫做奇点,度数为偶数的点叫做偶点。

结论:

  1. 每个图中,节点度数(有向图就直接求入度+出度)之和等于边数的两倍。

  2. 每个图中,度数为奇数的节点个数是偶数个。

  3. 在任何有向图中,所有节点入度之和等于所有节点出度之和。

路径/最短路径(path/shortest path)

在图上任取两顶点,分别作为起点和终点,我们可以规划许多条由起点到终点的路线。不会来来回回绕圈子、不会重复经过同一个点和同一条边的路线,就是一条“路径”。两点之间存在路径,则称这两个顶点是连通(connected)的。

路径也有权重,路径经过的每一条边,沿路加权重,权重总和就是路径的权重(通常只加边的权重,而不考虑顶点的权重)。其中路径权重最小的为最短路径。

连通图/连通分量(connected graph/connected component)

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如果在图G中,任意2个顶点之间都存在路径,那么称G为连通图(注意是任意2顶点)。如左图,每个城市之间都有路径,因此是连通图。而右图中,顶点8和顶点2之间就不存在路径,因此下图不是一个连通图,当然该图中还有很多顶点之间不存在路径。

剩下的假期补。咕咕。