离散数学结构 第14章 图的基本概念.docx

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离散数学结构第14章图的基本概念

第十四章图的基本概念

14.1图

主要内容

无向图与有向图。

简单图与多重图。

顶点的度数与握手定理。

图的同构。

完全图与正则图。

子图与补图。

学习要求

熟练掌握握手定理及其推论的内容及其应用。

掌握图同构的概念。

加深对简单图、完全图、正则图、子图、补图等概念的理解。

一．无向图与有向图

1．无序积与多重集

设A，B为任意的两个集合，称{{a,b}|a∈A∧b∈B}为A与B的无序积，记作A&B.

为方便起见，将无序积中的无序对{a,b}记为（a,b）,并且允许a=b.需要指出的是，无论a,b是否相等，均有（a,b）=（b,a）,因而A&B=B&A.

元素可以重复出现的集合称为多重集合或者多重集，某元素重复出现的次数称为该元素的重复度。

例如，在多重集合{a,a,b,b,b,c,d}中，a,b,c,d的重复度分别为2,3,1,1.

2．无向图与有向图的定义及表示法

定义14.1一个无向图是一个有序的二元组,记作G，其中

（1）V≠

称为顶点集，其元素称为顶点或结点。

（2）E称为边集，它是无序积V&V的多重子集，其元素称为无向边，简称边。

定义14.2一个有向图是一个有序的二元组，记作D，其中

（1）V同无向图。

（2）E为边集，它是笛卡儿积V×V的多重子集，其元素称为有向边，简称边。

　　上面给出了无向图和有向图的集合定义，但人们总是用图形来表示它们，即用小圆圈（或实心点）表示顶点，用顶点之间的连线表示无向边，用有方向的连线表示有向边。

例14.1

（1）给定无向图G=，其中，

V={v1,v2,v3,v4,v5}，

E={（v1,v1）,（v1,v2）,（v2,v3）,（v2,v3）,（v2,v5）,（v1,v5）,（v4,v5）}.

（2）给定有向图D=，其中，

V={a,b,c,d}，

E={,,,,,,}.

　　画出G与D的图形。

　　解图14.1中

（1）,

（2）分别给出了无向图G和有向图D的图形。

图14.1

与定义14.1和定义14.2有关的还有下面一些概念和规定。

1．n阶图

　　在图的定义中，用G表示无向图，D表示有向图，但有时用G泛指图（无向的或有向的），可是D只能表示有向图。

另外，为方便起见，有时用V（G），E（G）分别表示G的顶点集和边集，若|V（G）|=n,则称G为n阶图，对有向图可做类似规定。

2．有限图

　　若|V（G）|与|E（G）|均为有限数，则称G为有限图，本课件中只讨论有限图。

3．n阶零图与平凡图

　　在图G中，若边集E（G）=

则称G为零图，此时，又若G为n阶图，则称G为n阶零图，记作Nn，特别地，称N1为平凡图。

4．空图

　　在图的定义中规定顶点集V为非空集，但在图的运算中可能产生顶点集为空集的运算结果，为此规定定点集为空集的图为空图，并将空图记为

。

5．标定图与非标定图、基图

将图的集合定义转化成图形表示之后，常用ek表示无向边（vi，vj）（或有向边）,并称顶点或边用字母标定的图为标定图，否则称为非标定图。

另外将有向图各有向边均改成无向边后的无向图称为原来图的基图。

易知标定图与非标定图是可以相互转化的，任何无向图G的各边均加上箭头就可以得到以G为基图的有向图。

6．关联与关联次数、环、孤立点

　　设G=为无向图，ek=（vi，vj）∈E，则称vi，vj为ek的端点，ek与vi或ek与vj是彼此相关联的。

若vi≠vj，则称ek与vi或ek与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。

任意的vl∈V，若vl≠vi且vl≠vj，则称ek与vl的关联次数为0。

　　设D=为有向图，ek=∈E，称vi，vj为ek的端点，若vi=vj，则称ek为D中的环。

无论在无向图中还是在有向图中，无边关联的顶点均称孤立点。

7．相邻与邻接

　　设无向图G=，vi，vj∈V，ek，el∈E.若

et∈E，使得et=（vi，vj），则称vi与vj是相邻的。

若ek与el至少有一个公共端点，则称ek与el是相邻的。

　　设有向图D=，vi，vj∈V，ek，el∈E.若

et∈E，使得et=，则称vi为et的始点，vj为et的终点，并称vi邻接到vj，vj邻接于vi。

若ek的终点为el的始点，则称ek与el相邻。

8．邻域与闭邻域、先驱元集与后继元集、关联集

设无向图G=，

v∈V，

称{u|u∈V∧（u,v）∈E∧u≠v}为v的邻域，记做NG（v）.

并称NG（v）∪{v}为v的闭邻域，记做

G（v）.

称{e|e∈E∧e与v相关联}为v的关联集，记做IG（v）.

设有向图D=，

v∈V，

称{u|u∈V∧∈E∧u≠v}为v的后继元集，记做

（v）.

称{u|u∈V∧∈E∧u≠v}为v的先驱元集，记做

（v）.

称

（v）∪

（v）为v的邻域，记做ND（v）.

称ND（v）∪{v}为v的闭邻域，记做

D（v）.

在图14.1的

（1）图中，NG（v1）={v2，v5}，

G（v1）={v1，v2，v5}，IG（v1）={e1，e2，e3}。

在

（2）图中，

（d）={c}，

（d）={a，c}，ND（d）={a，c}，

D（d）={a，c，d}.

9．图的数学定义与表示法

给定图G的数学定义，按定义的规定，一定能画出它的图形与之对应，但由于顶点放置的位置可以不同，边的曲直可以不同，所以不同的人画出的图形形状可能不同，但顶点与边之间的关联关系是绝对相同的。

反之给定某图G的图形，若非标定图，先将顶点与边标定，则能唯一地写出G的数学定义形式。

二．简单图与多重图

定义14.3在无向图中，关联一对顶点的无向边如果多于1条，则称这些边为平行边，平行边的条数称为重数。

在有向图中，关联一对顶点的有向边如果多于1条，并且这些边的始点和终点相同（也就是它们的方向相同），则称这些边为平行边。

含平行边的图称为多重图，既不含平行边也不含环的图称为简单图。

　　在图14.1中，

（1）中e5与e6是平行边，在

（2）中，e2与e3是平行边，注意，e6与e7不是平行边。

（1），

（2）两个图都不是简单图。

　　简单图有许多性质，在以后逐渐进行讨论。

三．顶点的度数与握手定理

1．顶点的度数

定义14.4设G=为一无向图，

v∈V，称v作为边的端点次数之和为v的度数，简称为度，记做dG（v），在不发生混淆时，简记为d（v）.设D=为有向图，

v∈V，称v作为边的始点次数之和为v的出度，记做

（v），简记作d+（v）.称v作为边的终点次数之和为v的入度，记做

（v），简记作d-（v），称d+（v）+d-（v）为v的度数，记做d（v）.

2．握手定理

定理14.1（握手定理）设G=为任意无向图，V={v1,v2,…,vn}，|E|=m，则

=2m

　　证G中每条边（包括环）均有两个端点，所以在计算G中各顶点度数之和时，每条边均提供2度，当然，m条边，共提供2m度。

定理14.2（握手定理）设D=为任意有向图，V={v1,v2,…,vn}，|E|=m，则

=2m，且

=

=m.

本定理的证明类似于定理14.1

握手定理的推论任何图（无向的或有向的）中，奇度顶点的个数是偶数。

证设G=为任意一图，令

V1={v|v∈V∧d（v）为奇数}

V2={v|v∈V∧d（v）为偶数}

则V1∪V2=V，V1∩V2=

，由握手定理可知

2m=

=

+

　　由于2m，

均为偶数，所以

为偶数，但因V1中顶点数为奇数，所以|V1|必为偶数。

　　握手定理也称为图论的基本定理，图中顶点的度数是图论中最为基本的概念之一。

下面给出与顶点度数有关的概念。

1．无向图G中的最大度和最小度

　　在无向图G中，令

△（G）=max{d（v）|v∈V（G）}

δ（G）=min{d（v）|v∈V（G）}

　　称△（G），δ（G）分别为G的最大度和最小度。

在不引起混淆的情况下，将△（G），δ（G）分别简记为△和δ.

2．有向图D中的最大度、最大出度、最大入度与最小度、最小出度、最小入度

　　在有向图D中，类似无向图，可以定义最大度△（D），最小度δ（D），另外，令

△+（D）=max{d+（v）|v∈V（D）}

δ+（D）=min{d+（v）|v∈V（D）}

△-（D）=max{d-（v）|v∈V（D）}

δ-（D）=min{d-（v）|v∈V（D）}

　　分别称为D的最大出度，最小出度，最大入度，最小入度。

以上记号可分别简记为△，δ，△+，δ+，△-，δ-.

3．悬挂顶点与悬挂边；奇度顶点与偶度顶点

　　称度数为1的顶点为悬挂顶点，与它关联的边称为悬挂边。

度为偶数（奇数）的顶点称为偶度（奇度）顶点。

　　在图14.1中，

（1）的d（v1）=4（注意，环提供2度），△=4，δ=1，v4是悬挂顶点，e7是悬挂边。

（2）的d+（a）=4，d-（a）=1（环e1提供出度1，提供入度1），d（a）=4+1=5。

△=5，δ=3，△+=4（在a点达到），δ+=0（在b点达到），△-=3（在b点达到），δ-=1（在a和c点达到）。

4．度数列

　　设G=为一个n阶无向图,V={v1,v2,…,vn},称d（v1）,d（v2）,…,d（vn）为G的度数列，对于顶点标定的无向图，它的度数列是唯一的。

　　设D=为一个n阶有向图，V={v1,v2,…,vn}，称d（v1）,d（v2）,…,d（vn）为D的度数列，另外称d+（v1）,d+（v2）,…,d+（vn）与d-（v1）,d-（v2）,…,d-（vn）分别为D的出度列和入度列。

　　在图14.1

（1）中，按顶点的标定顺序，度数列为4,4,2,1,3.在

（2）中，按字母顺序，度数列，出度列，入度列分别为5,3,3,3；4,0,2,1；1,3,1,2.

5．可图化的与可简单图化的非负整数列

　　对于给定的非负整数列d=（d1,d2,…,dn），若存在以V={v1,v2,…,vn}为顶点集的n阶无向图G，使得d（vi）=di，则称d是可图化的。

特别地，若所得图是简单图，则称d是可简单图化的。

　　d=（d1,d2,…,dn）是否为可图化的，可由下面定理判别。

定理14.3设非负整数列d=（d1，d2，…，dn），则d是可图化的当且仅当



=0（mod2）.

　　证由握手定理可知必然性显然。

下面证明充分性。

由已知条件可知，d中有2k（0≤k≤

）个奇数，不妨设它们为d1，d2，…，dk，dk+1，dk+2，…，d2k .可用多种方法做出n阶无向图G=，V={v1，v2，…vn}.比如边集如下产生：

在顶点vr与vr+k之间连边，r=1，2，…，k.若di为偶数，令d'i=di，若di为奇数，令d'i=di－1，得d'=（d'1，d'2，…，d'n），则d'i均为偶数。

再在vi处做出d'i/2条环，i=1，2，…，n，将所得各边集合在一起组成E，则G的度数列为d.其实，di为偶数时，d（vi）=2·d'i/2=2·di/2=di，当di为奇数时，d（vi）=1+2·d'i/2=1+d'i=1+di－1=di，这就证明了d是可图化的。

　　由定理14.3立即可知，（3，3，2，1），（3，2，2，1，1）等是不可图化的，而（3，3，2，2），（3，2，2，2，1）等是可图化的。

定理14.4设G为任意n阶无向简单图，则△（G）≤n-1.

　　证因为G既无平行边也无环，所以G中任何顶点v至多与其余的n-1个顶点均相邻，于是d（v）≤n-1，由于v的任意性，所以△（G）≤n-1.

　　有了定理14.3，判某非负整数列是否可图化就很简单了，但判是否可简单图化的，还是不太容易的，定理14.4还是起很大作用的。

下例还能提供一些其他方法。

例14．2判断下列各非负整数列哪些是可图化的？

哪些是可简单图化的？

（1）（5,5,4,4,2,1）

（2）（5,4,3,2,2）

（3）（3,3,3,1）

（4）（d1,d2,…dn），d1>d2>…>dn≥1且

为偶数

　　（5）（4,4,3,3,2,2）

　　解易知，除

（1）中序列不可图化外，其余各序列都可图化。

但除了（5）中序列外，其余的都是不可简单图化的。

（2）中序列有5个数，若它可简单图化，设所得图为G，则（G）=max{5,4,3,2,2}=5，这与定理14.4矛盾。

所以

（2）中序列不可简单图化。

类似可证（4）中序列不可简单图化。

　　假设（3）中序列可以简单图化，设G=以（3）中序列为度数列。

不妨设V={v1，v2，v3，v4}且d（v1）=d（v2）=d（v3）=3,d（v4）=1，由于d（v4）＝1，因而v4只能与v1，v2，v3之一相邻，于是v1，v2，v3不可能都是3度顶点，这是矛盾的，因而（3）中序列也不可简单图化。

　　（5）中序列是可简单图化的，图14.2中两个6阶无向简单图都以（5）中序列为度数列。

图14.2

四．图的同构

1．两图同构的定义

定义14.5设G1=，G2=为两个无向图（两个有向图），若存在双射函数f：

V1→V2，对于

vi，vj∈V1，（vi，vj）∈E1（∈E1）当且仅当（f（vi），f（vj））∈E2（∈E2），并且（vi，vj）（）与（f（vi），f（vj））（）的重数相同，则称G1与G2是同构的，记做G1

G2.

　　在图14.3中，

（1）为彼得松（Petersen）图，

（2），（3）均与

（1）同构。

（4），（5），（6）各图彼此间都不同构。

图14.3

2．图之间的同构关系是等价关系

　　图之间的同构关系

可看成全体图集合上的二元关系，这个二元关系

具有自反性，对称性和传递性，因而它是等价关系。

在这个等价关系的每一等价类中均取一个非标定图作为一个代表，凡与它同构的图，在同构的意义之下都可以看成一个图，在图14.3中，

（1），

（2），（3）可以看成一个图，它们都是彼得松图，其中的

（1）可看成这类图的代表。

提到彼得松图，一般是指

（1）中图。

　　至此，可以这样说，在图同构的意义下，图的数学定义与图形表示是一一对应的。

关于图之间的同构问题还应该指出以下两点：

a．到目前为止，人们还没有找到判断两个图是否同构的好的算法，还只能根据定义看是否能找到满足条件的双射函数，显然这是困难的。

b．需要注意的是，不要将两个图同构的必要条件当成充分条件。

若G1

G2，则它们的阶数相同，边数相同，度数列相同，等等。

破坏这些必要条件的任何一个，两个图就不会同构，但以上列出的条件都满足，两个图也不一定同构，在图14.2中的两个图，有相同的度数列，但它们不同构。

五．完全图与正则图

1．完全图

定义14.6设G为n阶无向简单图，若G中每个顶点均与其余的n-1个顶点相邻，则称G为n阶无向完全图，简称n阶完全图，记做Kn（n≥1）。

　　设D为n阶有向简单图，若D中每个顶点都邻接到其余的n-1个顶点，又邻接于其余的n-1个顶点，则称D是n阶有向完全图。

　　设D为n阶有向简单图，若D的基图为n阶无向完全图Kn，则称D是n阶竞赛图。

　　在图14.4中，

（1）为K5，

（2）为3阶有向完全图，（3）为4阶竞赛图。

图14.4

　　易知，n阶无向完全图，n阶有向完全图，n阶竞赛图的边数分别为n（n-1）/2，n（n－1），n（n-1）/2.

2．正则图

定义14.7设G为n阶无向简单图，若

v∈V（G），均有d（v）=k，则称G为k-正则图。

由定义可知，n阶零图是0-正则图，n阶无向完全图是（n-1）－正则图，彼得松图是3-正则图。

由握手定理可知，n阶k-正则图中，边数m=kn/2，因而当k为奇数时，n必为偶数。

六．子图与补图

1．子图

定义14.8设G=，G'=为两个图（同为无向图或同为有向图），若V'

V且E'

E，则称G'是G的子图，G为G'的母图，记作G'

G.又若V'

V或E'

E，则称G'为G的真子图。

若V'=V，则称G'为G的生成子图。

　　设G=为一图，V1

V且V1≠

，称以V1为顶点集，以G中两个端点都在V1中的边组成边集E1的图为G的V1导出的子图，记作G[V1].又设E1

E且E1≠

，称以E1为边集，以E1中边关联的顶点为顶点集V1的图为G的E1导出的子图，记作G[E1].

　　在图14.5中，设G为

（1）中图所表示，取V1={a，b，c}，则V1的导出子图G[V1]为

（2）中图所示。

取E1={e1，e3}，则E1的导出子图G[E1]为（3）中图所示。

图14.5

　　对于给定的正整数n和m（m≤n（n-1）/2），构造出所有非同构的n阶m条边的所有非同构的无向（有向）简单图，这是目前还没有解决的难题，但对于比较小的n还是能构造出来的。

例14.3

（1）画出4阶3条边的所有非同构的无向简单图。

（2）画出3阶2条边的所有非同构的有向简单图。

　　解

（1）由握手定理可知，所画的无向简单图各顶点度数之和为2×3=6，最大度小于或等于3。

于是所求无向简单图的度数列应满足的条件是，将6分成4个非负整数，每个整数均大于或等于0且小于或等于3，并且奇数的个数为偶数。

将这样的整数列排出来只有下面三种情况：

（a）3，1，1，1

（b）2，2，1，1

（c）2，2，2，0

　　将每种度数列所有非同构的图都画出来即得所要求的全部非同构的图，见图14.6中

（1），

（2），（3）.

（2）由握手定理可知，所画有向简单图各顶点度数之和为4，最大出度和最大入度均小于或等于2.度数列及入度出度列为

（a）1，2，1

（b）2，2，0

　　四个所要求的有向简单图见图14.6中（4），（5），（6），（7）.

图14.6

　　其中3个无向图都是K4的子图，而且是生成子图，4个有向图都是3阶有向完全图的生成子图。

试问K4的所有非同构的i（i=0，1，2，4，5，6）条边的生成子图各有几个？

定义14.9设G=为无向图。

（1）设e∈E，从G中去掉边e，称为删除e，并用G-e表示从G中删除e所得子图。

又设E'

E，从G中删除E'中所有的边，称为删除E'，并用G-E'表示删除E'后所得子图。

（2）设v∈V，从G中去掉v及所关联地一切边称为删除顶点v，并用G-v表示删除v后所得子图。

又设V'

V，称从G中删除V'中所有顶点为删除V'，并用G-V'表示所得子图。

（3）设边e=（u，v）∈E，先从G中删除e，然后将e的两个端点u，v用一个新的顶点w（或用u或v充当w）代替，使w关联除e外u，v关联的一切边，称为收缩边e，并用G\e表示所得新图。

（4）设u，v∈V（u，v可能相邻，也可能不相邻，且u≠v），在u，v之间加新边（u，v），称为加新边，并用G∪（u，v）（或G＋（u，v））表示所得新图。

在收缩边和加新边过程中可能产生环和平行边。

在图14.7中，设

（1）中图为G，则

（2）为G-e5，（3）为G-{e1，e5}，（4）为G-v5，（5）为G-{v4,v5}，而（6）为G\e5.

图14.7

2．补图与自补图

定义14.10设G=为n阶无向简单图，以V为顶点集，以所有使G成为完全图Kn的添加边组成的集合为边集的图，称为G的补图，记做

.

　　若图G

，则称G是自补图。

例1.无向图G有16条边，3个4度顶点，4个3度顶点，其余顶点的度数均小于3，问G的阶数n至少为几？

答案：

G的阶数n至少为11。

例2.9阶图G中，每个顶点的度数不是5就是6，证明G中至少有5个6度顶点或至少有6个5度顶点。

证明：

方法一：

穷举法

设G有x个5度顶点，则G有9-x个6度顶点，由握手定理推论可知:

x只能取0，2，4，6，8；9-x只能取9，7，5，3，1。

于是（x,9-x）为（0,9），（2,7），（4,5）时均至少有5个6度顶点，而在（6,3），（8,1）时满足至少有6个5度顶点。

方法二：

反证法

否则,G至多有5个5度顶点且至多有4个6度顶点。

由握手定理推论可知：

G至多有4个5度顶点且至多有4个6度顶点。

这样G至多有8个顶点，与G为9阶图矛盾。

例3.在一次象棋比赛中，n名选手中的任意两名选手之间至多只下一盘，又每人至少下一盘，证明：

总能找到两名选手，他们下棋的盘数相同。

证明：

做无向图G=，其中V={v|v为选手}

E={（u，v）|u，v∈V∧u与v下过棋∧u≠v}

则G为无向简单图。

d（v）：

v下棋次数。

由已知条件可知，1≤d（v）≤n-1。

于是d（v1），d（v2），…，d（vn）只能取从1到n-1中取值。

由鸽巢原理，这n个顶点度数至少有

=2个相同，

即至少有2个人下棋次数相同。

例4.下面两组数，是否是可以简单图化的？

若是，请给出尽量多的非同构的无向简单图以它为度数列。

（1）2，2，2，3，3，6

（2）2，2，2，2，3，3

答案：

（1）不可简单图化。

（2）可简单图化。

共有下面4种非同构情况，它们都是K6的子图，见下图所示：

（1），

（2）中3度顶点相邻

（3），（4）中3度顶点不相邻。

例5.画出K4的所有非同构的生成子图。

14.2通路与回路

主要内容

通路与回路的定义。

n阶图中通路与回路的性质。

学习要求

深刻理解通路与回路的定义及其分类。

能正确地使用不同的表示法表示通路与回路。

理解同构意义下与定义意义下通路与回路的区别与联系。

深刻理解无向图中两个顶点之间的连通关系、短程线、距离、图的连通性等概念。

深刻理解点割集、边割集、点连通度、边连通度等概念。

理解有向图中，顶点之间的可达、相互可达关系、短程线、距离等概念。

深刻理解有向图的连通性及分类，以及判别定理。

理解并会使用扩大路径法。

一．通路与回路的定义

定义14.11设G为无向标定图，G中顶点与边的交替序列Г=

称为

到

的通路，其中

，

为

的端点，r=1，2，…，l，

，

分别称为Г的始点与终点，Г中边的条数称为它的长度。

若

，则称通路为回路。

若Г的所有边各异，则称Г为简单通路，又若

，则称Г为简单回路。

若Г的所有顶点（除

与

可能相同外）各异，所有边也各异，则称Г为初级通路或路