离散数学(图论基础)

1. 图的引入

无序对和无序积

设 A, B 为任意集合, 称集合 A&B = {(a, b)|a ∈ A, b ∈ B} 为 A 与 B 的无序积,(a, b) 称为无序对.
与序偶不同, 对 ∀a, b,(a, b) = (b, a).

什么是图

一个图 (Graph) 是一个序偶 < V, E >,记为 G =< V, E >,其中:V = {v1, v2, · · · , vn} 是有限非空集合,vi 称为结点 (node),V 称为结点集。
E 是有限集合,称为边集。E 中的每个元素都有 V 中的结点对与之对应,称之为边 (edge)。

与边对应的结点对即可以是无序的, 也可以是有序的.
若边 e 与无序结点对 (u, v) 相对应, 则称 e 为无向边(undirected edge), 记为 e =
(u, v) = (v, u), 这时称 u, v 是边 e 的两个端点.
若边 e 与有序结点对 < u, v > 相对应,则称 e 为有向边(directed edge)(或弧), 记为
e =< u, v >, 这时称 u 为 e 的始点 (或弧尾),v 为 e 的终点 (或弧头), 统称为 e 的端点

2. 图的表示

邻接矩阵
定义

3. 图的分类

按边有无方向分类

每条边都是无向边的图称为无向图(undirected graph);每条边都是有向边的图称为有向图(directed graph);有些边是无向边,而另一些边是有向边的图称为混合图(mixed graph)。(混合图转化为有向图)

按有无平行边分类
多重图
按有无权值分类

赋权图(weighted graph)G 是一个三重组 < V, E, g > 或四重组 < V, E, f, g >,其中 V 是结点集合,E 是边的集合,f 是从 V 到非负实数集合的函数(即结点的权值函数),g 是从 E 到非负实数集合的函数(即边的权值函数)。相应的,边或结点均无权值的称为无权图

  1. 赋权图: 边有权值
  2. 赋权图: 边和结点都有权值

4. 子图和补图

设有图 G =< V, E > 和图 G1 =< V1, E1 >.
若 V1 ⊆ V,E1 ⊆ E,则称 G1 是 G 的子图(subgraph),记为 G1 ⊆ G.
若 G1 ⊆ G,且 G1 ̸= G(即 V1 ⊂ V 或 E1 ⊂ E),则称 G1 是 G 的真子图(propersubgraph),记为 G1 ⊂ G.
若 V1 = V,E1 ⊆ E,则称 G1 是 G 的生成子图(spanning subgraph).
设 V2 ⊆ V 且 V2 ̸= ∅,以 V2 为结点集,以两个端点均在 V2 中的边的全体为边集的 G 的子图,称为 V2 导出的 G 的子图,简称 V2 的导出子(induced subgraph)


示例
完全图

设 G =< V, E > 为一个具有 n 个结点的无向简单图,如果 G 中任意两个结点间都有边相连,则称 G 为无向完全图,简称 G 为完全图,记为 Kn。
设 G =< V, E > 为一个具有 n 个结点的有向简单图,如果 G 中任意两个结点间都有两条方向相反的有向边相连,则称 G 为有向完全图,在不发生误解的情况下,也记为 Kn。


公式
补图

设 G =< V, E > 为简单图,G′ =< V, E1 > 为完全图,则称G1 =< V, E1 − E >为 G的补图(complement of graph),记为G。

示例
  1. 完全图-简单图
  2. 画补图时,边和原图是互补关系,但结点不变。尤其是孤立结点,一定不要漏掉!

5. 握手定理

邻接矩阵计算度数
度数的定义
公式
握手定理

6. 图的同构

7. 通路和回路

通路数量的计算
公式的证明-数学归纳法
案例

8. 可达性与最短通路

可达性矩阵
定理
短程线及距离
判定定理

9. 无向图的连通性

点割集
边割集
点连通度与边连通度

10. 有向图的连通性

强连通图的判定
单向连通图的判定
邻接矩阵判定法
三类连通分支
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