离散数学王元元习题解答 (9).doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流离散数学王元元习题解答 (9).精品文档.第三篇 图论第八章 图8.1 图的基本知识 内容提要8.1.1 图的定义及有关术语 定义8.1 图(graph)G由三个部分所组成: (1)非空集合V(G),称为图G的结点集,其成员称为结点或顶点(nodes or vertices)。 (2)集合 E(G),称为图G的边集,其成员称为边(edges)。 I(3)函数G:E(G)(V(G),V(G),称为边与顶点的关联映射(associatve mapping)。这里(V(G),V(G))称为VG的偶对集,其成员偶对(pair)形如(u,v),u,v为
2、结点,它们未必不同。G(e) = (u,v)时称边e关联端点u,v。当(u,v)用作序偶时(V(G),V(G) =V(G) V(G),e称为有向边,e以u为起点,以v为终点, 图G称为有向图(directed graph);当(u,v)用作无序偶对时,(u,v) = (v,u),称e为无向边(或边),图G称为无向图(或图)。图G常用三元序组,或来表示。显然,图是一种数学结构,由两个集合及其间的一个映射所组成。 定义8. 2 设图G为。 (l)当V和E为有限集时,称G为有限图,否则称G为无限图。本书只讨论有限图。 (2)当G为单射时,称G为单图;当G为非单射时,称G为重图,又称满足(e1) =
3、(e2)的不同边e1,e2,为重边,或平行边。 (3)当(e)(v,v)(或)时,称e为环(loops)。无环和重边的无向单图称为简单图。当G为有限简单图时,也常用(n,m)表示图G,其中n = |V |,m = |E | 。 (4)为双射的有向图称为有向完全图;对每一(u,v),u v,均有e使(e)(u,v)的简单图称为无向完全图,简称完全图,n个顶点的完全图常记作Kn。 (5)在单图G中,(e)(u,v)(或)时,也用(u,v)(或)表示边e,这时称u,v邻接e, u,v是e的端点(或称u为e的起点,v为e的终点);也称e关联结点u , v 。不是任何边的端点的结点都称为孤立结点,仅由孤
4、立结点构成的图(E = )称为零图。 (6)当给G赋予映射f:VW,或g:EW,W为任意集合,常用实数集及其子集,此时称G为赋权图,常用或或表示之。f(v)称为结点v的权,g(e)称为边e的权。8.1.2 结点的度 定义8.3 在无向图中,结点v的度(degree)d(v)是v作为边的端点的数目。在有向图中,结点的度d(v)是v的出度d+(v)(out-degree)与入度d-(v)(in-degree)的和;v的出度是v作为有向边起点的数目,v的入度是v作为有向边终点的数目。 定理8.1 对任意图G,设其边数为m, 顶点集为v1,v2,vn,那么 定理8.2 图的奇数度顶点必为偶数个。 定理
5、8.3 自然数序列(a1,a2,an)称为一个度序列,如果它是一个图的顶点的度的序列。(a1,a2,an)为一度序列,当且仅当为一偶数。定义8.4 一度的顶点称为悬挂点(pendant nodes)。定义8.6 各顶点的度均相同的图称为正则图(regular graph)。各顶点度均为k的正则图称为k-正则图。8.1.3 图运算及图同构 由于图由结点集、边集及关联映射组成,因此对图可作种种与集合运算相类似的运算。 定义8.6 设图G1,G2,称G1为G2的子图(subgraph),如果V1V2,E1E2,1 2。称G1为G2的真子图,如果G1是G2的子图,且G1 G2。称G1为G2的生成子图(
6、spanning subgraph),如果G1是G2的子图,且V1 = V2。 定义8.7 设图G1,G2,且1与2是相容的,即对任一x,若1(x) = y1, 2(x) = y2,则y1= y2,从而12为一函数。 (1)G1与G2的并,记为G1G2G3,其中V3 = V1V2,E3 = E1E2,3 = 12。 (2)G1与G2的交,记为G1G2 = G3 = ,其中V3 = V1V2,E3 = E1E2,3 = 12。 (3)若G1为G2的子图,则可定义G2对G1的差,记为G2G1G3,其中E3 = E2 E1,V3V2,3 = 2E3。 (4)G1与G2的环和,记为G1G2, G1G2
7、(G1G2)(G1G2) (5)若G为简单图,则可定义G的补,记为G,若 |V(G)| = n,则 G= KnG 定义8.8 设图G (1)Ge表示对G作删除边e的运算,Ge = ,其中EEe,= E。 (2)Gv表示对G作删除顶点v的运算,Gv = ,其中V= Vv,EEe | e以v为端点,E。 (3)边e切割运算。设G中 (e) = (u,v),对G作边e切割得G,其中,VVv,E= (Ee)e1,e2, = (),(4)顶点v贯通运算。设G中顶点v恰为边e1,e2的端点,且 (e1) = (u,v), (e2) = (w,v)。对G作顶点v贯通得G,其中V= Vv, E= (Ee1,e
8、2)e, =( ,)。 切割与贯通是互逆的,两者常被称为同胚运算。 定义8.9 设G1,G2为两个图,称G1与G2同构(isomorphic),如果存在双射f:V1V2,双射g:E1E2,使得对每一边eE1, 1(e)(u,v)(或)当且仅当2(g(e) = (f(u),f(v)(或) 当限于讨论简单图时,可以用顶点的偶对表示边,即当(e) (u,v)时,边e用(u,v)来表示。这时两图同构的条件可以简化为 (u,v)E1当且仅当(f(u),f(v)E2 习题解答练习8.11、 想一想,一只昆虫是否可能从立方体的一个顶点出发,沿着棱爬行、它爬行过每条梭一次且仅一次,并且最终回到原地?为什么?解
9、 不可能。可将立方体的一个顶点看作图的一个顶点,把立方体的棱看作图的边,那么该图的四个顶点都是三度的,因此不可能从一个顶点出发,遍历所有的边一次且仅一次,并且最终回到原顶点。2、 请设想一张图,它的64个顶点表示国际象棋棋盘的64个方格,顶点间的边表示:在这两个顶点表示的方格之间可以进行“马步”的行走。试指出其顶点有哪几类(依其度分类),每类各有多少个顶点。解 其顶点有5类:二度顶点合计4个,三度顶点合计8个,四度顶点,合计20个,六度顶点, 合计16个顶点,八度顶点, 合计16个顶点。234444323466664346888864468888644688886446888864346666
10、4323444432 3、(l)证明:n个顶点的简单图中不会有多于条边。(2)n个顶点的有向完全图中恰有条边。证(l)n个顶点的简单完全图的边数总和为(2)n个顶点的有向完全图的边数总和为4、证明: 在任何n (n2)个顶点的简单图G中,至少有两个顶点具有相同的度。证 如果G有两个孤立顶点,那么它们便是具有相同的度的两个顶点。如果G恰有一个孤立顶点,那么我们可对有n 1 个顶点但没有孤立顶点的G(它由G删除孤立顶点后得到)作下列讨论。不妨设G没有孤立顶点,那么G 的n个顶点的度数应是:1,2,3,n1 这n1种可能之一,因此必定有两个顶点具有相同的度。5、图8.10是一个迷宫,其中数字表示通道
11、、和死胡同(包括目标) 。请用一个图来表示这个迷宫(用结点表示通道、和死胡同(包括目标),用边表示它们之间的可直接到达关系。 图8.10解2 1 183 17 45 20 21 16 15 6 19 22 147 138 9 10 11 12 6、在晚会上有n个人,他们各自与自己相识的人握一次手。已知每人与别人握手的次数都是奇数,问n是奇数还是偶数。为什么? 解 n是偶数。用n个顶点表示n个人,顶点间的一条边表示一次握手,可构成一个无向图。若n是奇数,那么该图的顶点度数之和为奇数(奇数个奇数的和),这是不可能的,因此n是偶数。7、n个城市间有m条相互连接的直达公路。证明:当时,人们便能通过这些
12、公路在任何两个城市间旅行。证 用n个顶点表示n个城市,顶点间的边表示直达公路,据题意需证这n个城市的公路网络所构成的图G是连通的。反设G不连通,那么可设G由两个不相关的子图(没有任何边关联分别在两个子图中的顶点)G1,G2组成,分别有n1,n2个顶点,从而,n = n1+n2,n1 1,n2 1。 由于各子图的边数不超过 (见练习8.l之3),因此G的边数m满足:与已知矛盾,故图G是连通的。(本题是定理8.8的特例,当然也可以应用这一定理和它的证明方法来解题。) *8、(1)证明:序列(7,6,5,4,3,3, 2),(6,5,5,4,3,2,2)以及(6,6,5,4,3,3,1)都不是简单图
13、的度序列。 (2)若自然数序列(d1,d2,dn)满足d1d2dn,那么当它为一简单图的度序列时必有 (a)为偶数;(b)对任一k,1kn , k(k-1)+。证(1)由于7个顶点的简单图中不可能有7度的顶点,因此序列(7,6,5,4,3,3, 2)不是简单图的度序列。序列(6,5,5,4,3,2,2)中有三个奇数,因此它不是简单图的度序列。序列(6,6,5,4,3,3,1)中有两个6,若它是简单图的度序列,那么应有两个顶点是6度顶点,于是它们都要与其它所有顶点邻接,该图就不会有一度的顶点,与序列中末尾的1冲突。故(6,6,5,4,3,3,1)也不是简单图的度序列。证(2)为偶数是显然的。考虑
14、图中的k个顶点(k=1,2,n),这k个顶点的生成子图的度数总和 k(k-1),而其余nk 个顶点vk+1,vk+2, ,vn, 可使 v1,v2, ,vk增加的度数不会超过因此我们有 k(k-1)+。 9、画出图8.11中图的补图及它的一个生成子图。 图8.11 解 补图 生成子图10、一个简单图,如果同构于它的补,则该图称为自补图。(1)给出一个4个顶点的自补图。(2)给出一个5个顶点的自补图。(3)是否有3个顶点或6个顶点的自补图?(4)证明一个自补图一定有4k或4k1个顶点(k为正整数)。解 (1)4个顶点的自补图: (2)5个顶点的自补图:(3)没有。(4)证 设G为自补图,有n 个
15、顶点。我们已知n 个顶点的完全图有 条边,因此G应恰有条边。故或者n是4的整数倍,或者n1是4的整数倍,即图G 一定有4k或4k1个顶点(k为正整数)。 11、(l)证明图 8.12中(a)与(b)同构。 A a bD C B c E F d e k f g G H h I J i j (a) (b) 图8.12(2)给出所有不同构的4个结点的简单图的图示。(l)证 在图(a)图(b)间建立双射h vABDIJCEGHFh(v)abdihcfjkg可逐一验证 (不赘) (u,v)E(a)当且仅当 (h(u),h(v)E(b)(2)所有不同构的4个结点的简单图的图示有如下11个:*12、Kn表示
16、n个顶点的无向完全图。 (l)对K6的各边用红、蓝两色着色,每边仅着一种颜色,红、蓝任选。证明:无论怎样着色,图上总有一个红色边组成的K3或一个蓝色边组成的K3。(2)用(l)证明下列事实:任意6个人之间或者有三个人相互认识,或者有3个人相互都不认识。证(l)考虑K6的顶点V,与之关联的边有5条,其中至少有3条着同一颜色。不妨设均着红色,这三边的另一个端点分别是u1,u2,u3 (如图所示)。再考虑关联u1,u2,u3的三条边。如果它们中有一条着红色的边,那么我们就已经得到一个红色边组成的K3,如果它们中没有着红色的边,那么我们就能够得到一个蓝色边组成的K3。v u2u1 u3证(2)用六个顶
17、点表示6个人,顶点间红色边表示人员间相互认识,顶点间蓝色边表示人员间相互不认识,便产生一个边着红、蓝两色的完全图K6。利用(1)的结论,可以断定6个人之间或者有三个人相互认识,或者有3个人相互都不认识。8.2 路径、回路及连通性 内容提要8.2.1 路径与回路 定义8.10 图G的顶点v1到顶点vl的拟路径(pseudo path)是指如下顶点与边的序列: v1 ,e1 ,v2 ,e2 ,v3 , ,v l-1 ,el-1 ,vl 其中v1 ,v2 ,v3 , ,v l-1 ,vl为G的顶点e1 ,e2 , ,el-1 为G的边,且ei( i= 1,2, ,l-1 )以vi及vi+1为端点,(
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