离散数学第6章-图论课件.ppt
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1、1Chapter 6 图论图论n图论是一个古老的数学分支图论是一个古老的数学分支,它以图为研究对象。它以图为研究对象。图论中的图是由若图论中的图是由若 干给定的点及连接两点的线所干给定的点及连接两点的线所构成的图形,这种图形通常用来描述某些事物之构成的图形,这种图形通常用来描述某些事物之间的某种特定关系,用点代表事物,用连接两点间的某种特定关系,用点代表事物,用连接两点的线表示相应两个事物间具有这种关系的线表示相应两个事物间具有这种关系.n图论近年来发展十分迅速图论近年来发展十分迅速,应用相当广泛应用相当广泛,渗透到许渗透到许多学科多学科,诸如运筹学、信息论、控制论、网络理论、诸如运筹学、信息
2、论、控制论、网络理论、博弈论、化学、生物学、物理学、社会科学、语博弈论、化学、生物学、物理学、社会科学、语言学言学,特别是计算机科学等特别是计算机科学等,图论得到广泛的应用图论得到广泛的应用,同时图论本身也得到了充分的发展同时图论本身也得到了充分的发展.234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041 图论最早处理的问题是哥尼斯堡城图论最早处理的问题是哥尼斯堡城PregelPregel河上的河上的七桥问题七桥问题:河中有两个岛屿:河中有两个岛屿,人们架设了七座桥把河人们架设了七座桥把河岸和两个小岛连
3、接起来岸和两个小岛连接起来,有人打算在每座桥上通过一有人打算在每座桥上通过一次然后返回出发点次然后返回出发点,但没有获得成功但没有获得成功.后来有人请教当时的大数学家后来有人请教当时的大数学家欧拉欧拉,欧拉用图论的方法证明这个欧拉用图论的方法证明这个问题无解问题无解,同时他提出并解决了更同时他提出并解决了更为一般的问题为一般的问题,从而奠定了图论的从而奠定了图论的基础基础,欧拉也被誉为欧拉也被誉为“图论之父图论之父”.”.ABCD42 后来后来,英国数学家哈密尔顿在英国数学家哈密尔顿在18561856年提出年提出“周游世界周游世界”的的问题:一个正十二面体问题:一个正十二面体,20,20个顶点
4、分别表示世界上个顶点分别表示世界上2020个大城市个大城市,要求从某个城市出发要求从某个城市出发,经过所有城市一次而不重复经过所有城市一次而不重复,最后回到出最后回到出发地发地.这也是图论中一个著名的问题这也是图论中一个著名的问题.“四色问题四色问题”也是图论中的著名问题:地图着色时也是图论中的著名问题:地图着色时,国境国境线相邻的国家需要着上不同的颜色线相邻的国家需要着上不同的颜色,最少需要几种颜色?最少需要几种颜色?19761976年年,美国人阿佩尔和哈肯用计算机运行美国人阿佩尔和哈肯用计算机运行12001200个小时个小时,证明证明4 4种颜种颜色就够了色就够了.但至今尚有争议但至今尚有
5、争议.436.1 图的基本概念图的基本概念n哥尼斯堡哥尼斯堡(Kningsberg)七桥问题七桥问题:n问题是问题是:是否可从某一个地方出发,经过七座桥,是否可从某一个地方出发,经过七座桥,每座桥只经过一次,然后又回到原出发点每座桥只经过一次,然后又回到原出发点.ABCDABCD44n程序调用的图论模型程序调用的图论模型:ne8:v3可调用可调用v2;e1:v2可调用可调用v1;e4:v5可调用可调用v5自身自身.1v2v3v4v5v1e2e3e4e5e6e7e8e9e451.图的定义图的定义n定义定义 图图G主要由主要由2部分组成部分组成:q(1)节点集合节点集合V,其中的元素称为其中的元素
6、称为节点节点q(2)边集合边集合E,其中的元素称为其中的元素称为边边n通常将图通常将图G记为记为G=(V,E).46 几点说明几点说明:q(a)节点又可以称为点、顶点或结点节点又可以称为点、顶点或结点,常用一个实心点或空心常用一个实心点或空心点表示点表示,为了方便可以在这些符号的旁边或内部写上表意名为了方便可以在这些符号的旁边或内部写上表意名称称.q(b)边及其表示边及其表示.n无向边无向边?b3=AB=BA=A,B(可重可重).n有向边有向边(弧弧)?n所有边都是无向边的图称为所有边都是无向边的图称为无向图无向图,所有边都是有向边的图称所有边都是有向边的图称为为有向图有向图.82323(,)
7、,.ev vv vABv2v3b3e8A和和B称为端点称为端点4747q(c)我们讨论的图不但与节点位置无关我们讨论的图不但与节点位置无关,而且与边的形状和长而且与边的形状和长短也无关短也无关.n有有n个节点的图称为个节点的图称为n阶阶图图,有有n个节点个节点m条边的图称为条边的图称为(n,m)图图.n在图在图G=(V,E)中中,称称V=的图为的图为空图空图,记为记为,若若 V 但但 E=的图称为的图称为零图零图,n 阶零图可记为阶零图可记为Nn,仅一个节点的零图称为仅一个节点的零图称为平凡图平凡图.482.邻接邻接n定义定义 设设G=(V,E)是图是图,对于任意对于任意u,v V,若从节若从
8、节点点 u 到节点到节点 v 有边有边,则称则称 u 邻接到邻接到 v 或称或称 u 和和 v 是是邻接的邻接的.n无向图无向图?n有向图有向图?n无向图的无向图的两条边邻接两条边邻接是指它们有公共端点是指它们有公共端点.euvuveeuv先驱元素先驱元素后继元素后继元素493.关联关联n定义定义 设设G=(V,E)是图是图,e E,e的两个端点分别为的两个端点分别为u和和v,则称边则称边e与节点与节点u以及边以及边e与节点与节点v是是关联关联的的.n显然显然,图的任意一条边都关联两个节点图的任意一条边都关联两个节点.n关联相同两个节点的边称为吊环关联相同两个节点的边称为吊环,可简称可简称环环
9、(loop).n关联的起点与终点都相同的边称为关联的起点与终点都相同的边称为多重边多重边或平行或平行边边,其边数称为边的其边数称为边的重数重数.u uvuv504.简单图简单图n(1)简单图简单图n定义定义 设设G=(V,E)是图是图,若若G中既无吊环又无多重中既无吊环又无多重边边,则称则称G是是简单图简单图.San FranciscoDenverLos AngelesNew YorkChicagoWashingtonDetroit51n(2)完全无向图完全无向图n定义定义 设设G=(V,E)是是n阶简单无向图阶简单无向图,若若G中任意中任意节点都与其余节点都与其余n-1个节点邻接个节点邻接,
10、则称则称G为为n阶阶完全完全无向图无向图,记为记为Kn.(1)|()|.2nn nE K K1K4K3K2K552n(3)补图补图n定义定义 设设G=(V,E)是是n阶简单无向图阶简单无向图,由由G的所有节的所有节点以及由能使点以及由能使G成为成为Kn需要添加的边构成的图称需要添加的边构成的图称为为G的的补图补图,记为记为n(u和和v在在G中不邻接中不邻接 u和和v在在 中邻接中邻接).GG5353n作业作业 P162 习题习题6.1 9546.2 节点的度数节点的度数n边与节点的边与节点的关联次数关联次数n定义定义 设设G=(V,E)是无向图是无向图,v V,称与节点称与节点v关联关联的所有
11、边的关联次数之和为节点的所有边的关联次数之和为节点 v 的的度数度数,记为记为deg(v).n在任意图中在任意图中,度数为度数为0的节点称为的节点称为孤立点孤立点,度数为度数为1的节点称为的节点称为悬挂点悬挂点.q一个环算一个环算2度度55deg(a)=2deg(b)=6deg(c)=4deg(d)=1deg(e)=0deg(f)=3deg(g)=4 a b g e c d f所有节点度数之和所有节点度数之和=2+4+3+4+6+1+0=20边数边数=10e为孤立点为孤立点.d为悬挂点为悬挂点.56n握手定理握手定理 在任何在任何(n,m)图图G=(V,E)中中,其所有节其所有节点度数之和等于
12、边数点度数之和等于边数m的的2倍倍,即即nCorollary 在任意图在任意图G=(V,E)中中,度数为奇数的节度数为奇数的节点个数必为偶数点个数必为偶数.nProof deg()2.v Vvm ,21 )deg()deg()deg(2eVvVuVvvuv偶数偶数偶数偶数偶数偶数是是奇奇数数度度数数节节点点集集合合是是偶偶数数度度数数节节点点集集合合,21 VV57n定义定义 设设G=(V,E)是有向图是有向图,v V,n以以v为起点的边的数目为节点的为起点的边的数目为节点的出度出度,记为记为deg+(v),n以以v为终点的边的数目为节点的为终点的边的数目为节点的入度入度,记为记为deg-(v
13、),ndeg+(v)+deg-(v)为节点为节点v的的度数度数,记为记为deg(v).q一个环算一个环算2度度58a c b e d fdeg(a)=2deg(b)=2deg(c)=3deg(d)=2deg(e)=3deg(f)=0Total=12deg+(a)=4deg+(b)=1deg+(c)=2deg+(d)=2deg+(e)=3deg+(f)=0Total=12边数边数:12evvVvVv )(deg)(degnTheorem 在任意有向图中在任意有向图中,所有节点的出度之和所有节点的出度之和等于入度之和等于入度之和.59n定义定义 若一个无向图若一个无向图G的每节点度数均为的每节点度
14、数均为k,则称则称G为为k-正则图正则图.n例例n例例 设无向图设无向图G是一个是一个3-正则正则(n,m)图图,且且 2n 3=m,求求 n 和和 m 各是多少各是多少?n解解 根据握手定理有根据握手定理有,3n=2m,n=6,m=9。60n定义定义 对于无向图对于无向图G=(V,E),V=v1,v2,vn,称称deg(v1),deg(v2),deg(vn)为为G的的度数序列度数序列.对于对于有向图有向图,还可以定义其出度序列和入度序列还可以定义其出度序列和入度序列.n例例 是否存在一个无向图是否存在一个无向图G,其度数序列分别为其度数序列分别为q(1)7,5,4,2,2,1.q(2)4,4
15、,3,3,2,2.n解解 q(1)由于序列由于序列7,5,4,2,2,1中中,奇数个数为奇数奇数个数为奇数,根据握手根据握手定理的推论知定理的推论知,不可能存在一个图其度数序列为不可能存在一个图其度数序列为7,5,4,2,2,1.q(2)因为序列因为序列4,4,3,3,2,2中中,奇数个数为偶数奇数个数为偶数,可以得到可以得到一个无向图一个无向图,其度数序列为其度数序列为4,4,3,3,2,2.n作业作业 P165 习题习题6.2 2,7616.3 子图、图的运算和图同构子图、图的运算和图同构1.子图子图n可以通过一个图的子图去考察原图的有关性质以可以通过一个图的子图去考察原图的有关性质以及原
16、图的局部结构及原图的局部结构.n定义定义 设设G=(V,E)和和H=(W,F)是图是图,若若W V且且F E,则称则称H=(W,F)是是G=(V,E)的的子图子图;若若H=(W,F)是是G=(V,E)的子图且的子图且W=V,则称则称H=(W,F)是是G=(V,E)的的生成子图生成子图.62n例例 (一个图的子图较多一个图的子图较多)n常见的常见的4种产生种产生G=(V,E)的子图的方式如下的子图的方式如下:q(1)GW 设设W V,则以则以W为节点集合为节点集合,以两端点均属于以两端点均属于W的所有边为边集合构成的子图的所有边为边集合构成的子图,称为称为由由W导出的子图导出的子图,记为记为GW
17、.q(2)G W 设设W V,导出子图导出子图GV W记为记为G W,是在是在G中去掉所有中去掉所有W中的节点中的节点,同时也要去掉与同时也要去掉与W中节点关联中节点关联的所有边的所有边.通常将通常将G v记为记为G-v.ABe63q(3)GF 设设F E,则以则以F为边集合为边集合,以以F中边的所有端点中边的所有端点为节点集合构成的子图为节点集合构成的子图,称为称为由由F导出的子图导出的子图,记为记为GF.q(4)G F 设设F E,则从则从G中去掉中去掉F中的所有边得到的生中的所有边得到的生成子图记为成子图记为G F.1v2v3v4v5vabcdefg?,cbaG?,cbaG 1v2v3v
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