第七章图的基本概念课件.ppt
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1、第第7章章 图的基本概念图的基本概念 图论图论(graphic theory)的起源可追溯到18世纪,数学家欧拉1736年发表了关于图论的第一篇论文,解决了著名的哥尼斯堡七桥问题。但直到20世纪中后期,尤其是计算机科学与技术的发展,图的理论研究和应用研究才得到广泛的重视,图论作为一个重要的数学分支,才真正确立了自己的地位。图论的内容十分丰富,是一门交叉性很强、应用很广泛的学科。计算机科学、网络理论、信息论、运筹学、语言学、物理、化学等都以图作为工具,来解决理论问题和实际问题。离散数学研究的图是不同于几何图形、机械图形的另一种数学结构,不关心图中顶点的位置、边的长短和形状,只关心顶点与边的联结关
2、系。目 录7.1 无向图及有向图7.2 通路、回路、图的连通性7.3 图的矩阵表示7.4 最短路径问题及关键路径 7.1 无向图及有向图无向图及有向图设A,B为两集合,称 a,baAbB为A与B的无序积,记作AB将无序对a,b记作(a,b).J定义7.1 一个无向图G是一个二元组,即 G,其中,(1)V是一个非空的集合,称为G的顶点集,V中元素称为顶点或结点;(2)E是无序积VV的一个多重子集,称E为G的边集,E中元素称为无向边或简称边.无向图元素可重复出现的集合为元素可重复出现的集合为多重集多重集例如:G=,V=v1,v2,v3,v4,v5,E=(v1,v2),(v2,v2),(v2,v3)
3、,(v1,v3),(v1,v3),(v1,v4)G的图形为:e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6有向图有向图J定义7.2 一个有向图D是一个二元组,即 D,其中,(1)V同无向图中的顶点集;(2)E是卡氏积的多重子集,其元素称为有向边,也简称边.有时用V(D),E(D)分别表示图D的顶点集和边集。例如:D=,V=v1,v2,v3,v4,v5,E=,G的图形为:e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6e7e8 设G为一无向图或有向图(1)若V,E都是有穷集合,则称G是有限图.(2)若Vn,则称G为n阶图(3)若E,则称G为零图特别是,若此时又有V1,则称G为平凡图.5阶图阶图零图零图
4、平凡图平凡图J定义7.3 设ek(vi,vj)为无向图G中的一条边,称vi,vj为ek的端点,ek与vi(或vj)是彼此关联的.无边关联的顶点称为孤立点.若一条边所关联的两个顶点重合,则称此边为环.e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6ek与vi(或vj)的关联次数1vi(vj)是ek的端点且vivj,2vi(vj)是ek的端点且vivj,0vi(vj)不是ek的端点e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6J定义7.4 设无向图G=,vi,vjV,ek,elE.(1)若存在一条边e以vi、vj为端点,即e=(vi,vj),则称vi,vj是彼此相邻的,简称相邻的(2)若ek,el至少有
5、一个公共端点,则称ek,el是彼此相邻的,简称相邻的e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6 对有向图若ekvi,vj,除称vi,vj是ek的端点外,还称vi是ek的始点,vj是ek的终点,vi邻接到vj,vj邻接于vi.e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6e7e8J定义7.5 设G为一无向图,viV,称vi作为边的端点的次数之和为vi的度数,简称度,记作d(vi).称度数为1的顶点为悬挂顶点,它所对应的边为悬挂边.v1v2v5v4v3d(vi)=?设D为一有向图,vjV,称vj作为边的始点的次数之和,为vj的出度,记作d+(vj);称vj作为边的终点的次数之和,为vj的入度,记作
6、d-(vj);称vj作为边的端点的次数之和,为vj的度数,简称度,记作d(vj).显然d(vj)d+(vj)d-(vj).d(v1)3,d+(v1)2,d-(v1)1;d(v2)3,d+(v2)2,d-(v2)1;d(v3)5,d+(v3)2,d-(v3)3;d(v4)d+(v4)d-(v4)0;d(v5)1,d+(v5)0,d-(v5)1;其中,v5是悬挂结点,为悬挂边。?例v5v1v2v3v4对于图G,记(G)maxd(v)vV,(G)mind(v)vV,分别称为G的最大度和最小度.v1v2v5v4v34,0。.|)(min)(;|)(min)(;|)(max)(;|)(max)(Vvvd
7、DVvvdDVvvdDVvvdD若DV,E是有向图,除了(D),(D)外,还有最大出度、最大入度、最小出度、最小入度,分别定义为v5v4v3v2v1.0;1;3;3J定理7.1(握手定理)设图G为无向图或有向图,Vv1,v2,.,vn,|E|=m(m为边数),则J推论 任何图(无向的或有向的)中,度为奇数的顶点个数为偶数.mvdnii2)(1J定理7.2设有向图D,Vv1,v2,.,vn,Em,则 设Vv1,v2,.,vn为图G的顶点集,称(d(v1),d(v2),.,d(vn)为G的度数序列.mddniinii11)V()V(?例v1v2v5v4v3度数序列(4,4,3,1,0)度数序列(3
8、,4,3,4,2)v5v4v3v2v1 (1)(3,3,2,3),(5,2,3,1,4)能成为图的度数序列吗?为什么?答:不能,由握手定理易知。(2)已知图G中有10条边,4个3度顶点,其余顶点的度数均小于等于2.问G中至少有多少个顶点?为什么?答:至少有8个顶点。?例J定义7.6 在无向图中,关联一对顶点的无向边如果多于1条,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,且它们的始点与终点相同,则称这些边为有向平行边,简称平行边.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.e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6 e4与e5是平行
9、边 e3与e4是平行边 e7与e8不是平行边e5v5v4v3v2v1e4e3e2e1e6e7e8J定义7.7 设G=是n阶无向简单图,若G中任何顶点都与其余的n-1个顶点相邻,则称G为n阶无向完全图,记作Kn.设D=为n阶有向简单图,若对于任意的顶点u,vV(uv),既有有向边,又有,则称D是n阶有向完全图.注:Kn均指无向完全图.图(1)中所示为K4,(2)所示为K5,(3)所示为3阶有向完全图.?例(1)(2)(3)J定义7.8 设G=,G=是两个图.若VV,且EE,则称G是G的子图,G是G的母图,记做G G.若G G且GG(即VV或E E),则G是G的真子图.若GG且V=V则称G是G的生
10、成子图.设V1V,且V1,以V1为顶点集,以两端点均在V1中的全体边为边集的G的子图,称为V1导出的导出子图.设E1 E,且E1,以E1为边集,以E1中关联的顶点的全体为顶点集的G的子图称为E1导出的导出子图.?例 下图给出了图G以及它的真子图G和生成子图G。G是结点集v1,v2,v4,v5,v6的导出子图。v1v2v3v4e4e5e1e2e3v1v2v3v4e4e1e3v1v2e4e5v1 v2v3e4e1e2e3v1 v2v3e1e3v1v2e1?例(1)(2)(3)(6)(5)(4)J定义7.9 设G=是n阶无向简单图.以V为顶点集,以所有能使G成为完全图Kn的添加边组成的集合为边集的图
11、,称为G相对于完全图Kn的补图,简称G的补图,记作G.有向简单图的补图可类似定义.?例互补互补互补互补观察下列图有何特点?J图(a)、图(b)、图(c)和图(d)所表示的图形实际上都是一样的。bdcdcbadcbadcbaa图(a)图(b)图(c)图(d)J定义7.10 设两个无向图G1=,G2=,如果存在双射函数:V1V2,使得对于任意的e=(vi,vj)E1当且仅当e=(vi),(vj)E2,并且e与e的重数相同,则称G1与G2是同构的,记作G1 G2.(1)(2),顶点之间的对应关系为av1,bv2,cv3,dv4,ev5.abedc1v2v3v4v5v)1()2(a)(b)(c)(a)
12、所示图称为彼德森图.(a)(b)(c)1、顶点个数相同2、边的条数相同3、度数相同的结点数相同两图同构?例(1)画出4个顶点3条边的所有可能非同构的无向简单图;(1)(2)(3)(2)画出3个顶点2条边的所有可能非同构的有向简单图.(1)(2)(3)(4)7.2 通路、回路、图的连通性通路、回路、图的连通性J定义7.11 给定图G.设G中顶点和边的交替序列为v0e1v1e2elvl,若满足如下条件:vi-1和vi是ei的端点(在G是有向图时,要求vi-1是ei的始点,vi是ei的终点),i1,2,l,则称为顶点v0到vl的通路.v0和vl分别称为此通路的起点和终点,中边的数目l称为的长度.当v
13、0vl时,此通路称为回路.若中的所有边e1,e2,el互不相同,则称为简单通路或一条迹.若回路中的所有边互不相同,称此回路为简单回路或一条闭迹.若通路的所有顶点v0,v1,vl互不相同(从而所有边互不相同),则称此通路为初级通路或一条路径.若回路中,除v0vl外,其余顶点各不相同,所有边也各不相同,则称此回路为初级回路或圈.有边重复出现的通路称为复杂通路,有边重复出现的回路称为复杂回路.由定义可知,初级通路(回路)是简单通路(回路),但反之不真.注:上述定义既适合无向图,也适合有向图。?例v1v0v4v2v3v5v8v6v7v1v0v4v2v3v1v0v4v2v3v1v0v4v2v3v5v8v
14、6v7(1)为v0到v4的长为4的初级通路(2)为v0到v4的长为4的初级通路(3)为v0到v8的长为8的简单通路(4)为v0到v8的长为8的简单通路J定理7.3 在一个n阶图中,若从顶点vi到vj(vivj)存在通路,则从vi到vj存在长度小于等于n-1的通路.推论 在一个n阶图中,若从顶点vi到vj(vivj)存在通路,则从vi到vj存在长度小于等于n-1的初级通路.J定理7.4 在一个n阶图中,如果存在vi到自身的回路,则从vi到自身存在长度小于等于n的回路.推论 在一个n阶图中,如果vi到自身存在一条简单回路,则从vi到自身存在长度小于等于n的初级回路.J定义7.12在一个无向图G中,
15、若从顶点vi到vj存在通路(当然从vj到vi也存在通路),则称vi与vj是连通的.规定vi到自身总是连通的.在一个有向图D中,若从顶点vi到vj存在通路,则称vi可达vj.规定vi到自身总是可达的.短程线(无向图)设vi,vj为无向图G中的任意两点,若vi与vj是连通的,则称vi与vj之间长度最短的通路为vi与vj之间的短程线,短程线的长度称为vi与vj之间的距离,记作d(vi,vj).短程线(有向图)设vi,vj为有向图D中任意两点,若vi可达vj,则称从vi到vj长度最短的通路为vi到vj的短程线,短程线的长度称为vi到vj的距离,记作d.性质u若vi不可达vj,规定d.d具有下面性质:(
16、1)d 0,当vivj时,等号成立.(2)满足三角不等式,即 d+d d.在无向图中,还有对称性,即 d(vi,vj)d(vj,vi).连通图(无向图)J定义7.13 若无向图G是平凡图,或G中任意两顶点都是连通的,则称G是连通图;否则,称G是非连通图.无向图中,顶点之间的连通关系是等价关系.设G为一个无向图,R是G中顶点之间的连通关系,按着R可将V(G)划分成k(k1)个等价类,记成V1,V2,Vk,由它们导出的导出子图GV1,GV2,GVk称为G的连通分支,其个数记为p(G).G1是连通图,p(G1)1;G2是非连通图,且p(G2)3。G1G2?例连通图(有向图)J定义7.14设D是一个有
17、向图,如果略去D中各有向边的方向后所得无向图G是连通图,则称D是连通图,或称D是弱连通图.若D中任意两顶点至少一个可达另一个,则称D是单向连通图.若D中任何一对顶点都是相互可达的,则称D是强连通图?例图a为弱连通图;图b为单向连通图;图c为强连通图。图a 图b 图c J定义7.15 设无向图G,若存在顶点子集VV,使G删除V将V中顶点及其关联的边都删除)后,所得子图GV的连通分支数与G的连通分支数满足 p(G-V)p(G),而删除V的任何真子集V后,p(G-V)p(G),则称V为G的一个点割集.若点割集中只有一个顶点v,则称v为割点.若存在边集子集E E,使G删除E(将E中的边从G中全删除)后
18、,所得子图的连通分支数与G的连通分支数满足p(G-E)p(G),而删除E的任何真子集E后,p(G-E)p(G),则称E是G的一个边割集.若边割集中只有一条边e,则称e为割边或桥.v2,v7,v3,v4为点割集,v3,v4为割点e1,e2,e1,e3,e4,e6,e7,e8,e2,e3,e4等都是割集,其中e6是桥。v5e8v6v7v1v4v2v3e1e2e3e4e5e6e7e9?例 本节概念:无向图、有向图、n阶图、零图、平凡图、彼此关联、相邻、度d(vi)、出度d+(vj)、入度d-(vj)、握手定理及其推论、度数序列、简单图、n阶无向完全图、子图、母图、生成子图、导出子图、补图、同构、通路
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