图的基本概念-无向图及有向图ppt课件.ppt
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1、离散数学CH7 图的基本概念1无向无向图及有向图图及有向图1 图论的起源图论的起源图论是组合数学的图论是组合数学的一个分支一个分支, ,它起源它起源于于17361736年欧拉的第年欧拉的第一篇关于图论的论一篇关于图论的论文,这篇论文解决文,这篇论文解决了著名的了著名的 “哥尼哥尼斯堡七桥问题斯堡七桥问题” ,从而使欧拉成为,从而使欧拉成为图论的创始人。图论的创始人。1.哥尼斯堡七桥问题 哥尼斯堡哥尼斯堡位于前苏联的加里位于前苏联的加里宁格勒,历史上曾经是德国宁格勒,历史上曾经是德国东普鲁士省的省会,普雷格东普鲁士省的省会,普雷格尔河横穿城堡,河中有尔河横穿城堡,河中有两个两个小岛小岛,共有,共
2、有七座桥七座桥连接两岸连接两岸和小岛。和小岛。 问题:问题: 在所有桥都只能走一在所有桥都只能走一遍的前提下,如何才能把这遍的前提下,如何才能把这个地方所有的桥都走遍?个地方所有的桥都走遍?哥尼斯堡七桥问题尼斯堡七桥问题解决方式解决方式莱昂哈德莱昂哈德欧拉欧拉(Leonhard Euler)在)在1735年圆满年圆满地解决了这一问题,证明这种方法并不存在,也顺带地解决了这一问题,证明这种方法并不存在,也顺带解决了解决了一笔画问题一笔画问题。他在圣彼得堡科学院发表了图论。他在圣彼得堡科学院发表了图论史上第一篇重要文献。欧拉把实际的抽象问题简化为史上第一篇重要文献。欧拉把实际的抽象问题简化为平面上
3、的点与线组合,每一座桥视为一条线,桥所连平面上的点与线组合,每一座桥视为一条线,桥所连接的地区视为点。这样若从某点出发后最后再回到这接的地区视为点。这样若从某点出发后最后再回到这点,则这一点的线数必须是偶数。点,则这一点的线数必须是偶数。 图论的起源欧拉最后给出任意一种河欧拉最后给出任意一种河桥图能否全部桥图能否全部走一次的走一次的判定法则判定法则。如果通。如果通奇数座奇数座桥的地桥的地方方不止两个不止两个,那么满足要求的路线便不存,那么满足要求的路线便不存在了。如果只有在了。如果只有两个地方两个地方通奇数座桥,则通奇数座桥,则可从其中任何一地出发找到所要求的路线可从其中任何一地出发找到所要求
4、的路线。若。若没有一个地方没有一个地方通奇数座桥,则从任何通奇数座桥,则从任何一地出发,所求的路线都能实现,他还说一地出发,所求的路线都能实现,他还说明了怎样快速找到所要求的路线。明了怎样快速找到所要求的路线。不少数学家都尝试去解析这个事例。而这不少数学家都尝试去解析这个事例。而这些解析,最后发展成为了数学中的些解析,最后发展成为了数学中的图论图论。5 欧 拉 图定义定义 一个图一个图, ,如果能够从一点出如果能够从一点出发发, ,经过每条边一次且仅一次再经过每条边一次且仅一次再回到起点回到起点, ,则称为则称为欧拉图欧拉图 欧拉在论文中给出并证明了判欧拉在论文中给出并证明了判断欧拉图的充分必
5、要条件定理断欧拉图的充分必要条件定理, ,并证并证明了七桥图不是欧拉图。明了七桥图不是欧拉图。 从这个问题可以看出:图图:图用点代表各个事物图用点代表各个事物, ,用边代用边代表各个事物间的二元关系。表各个事物间的二元关系。 所以,图是研究集合上的二元所以,图是研究集合上的二元关系的工具,是建立数学模型的一关系的工具,是建立数学模型的一个重要手段。个重要手段。 2、一百多年以后 “七桥七桥”问题以后,图论的研究停滞了一问题以后,图论的研究停滞了一百多年,直到百多年,直到18471847年,基尔霍夫用年,基尔霍夫用“树树”图解决了电路理论中的求解联立方程图解决了电路理论中的求解联立方程的问题,十
6、年后凯莱用的问题,十年后凯莱用 “树树” 图计算有图计算有机化学中的问题。在这一时期流行着两机化学中的问题。在这一时期流行着两个著名的图论问题:哈密尔顿回路问题个著名的图论问题:哈密尔顿回路问题和和 “四色猜想四色猜想” 问题。问题。3.哈密尔顿回路问题 18561856年年, ,英国数学家哈密尔顿设计了英国数学家哈密尔顿设计了一个周游世界的游戏,他在一个正一个周游世界的游戏,他在一个正十二面体的二十个顶点上标上二十十二面体的二十个顶点上标上二十个著名城市的名字,要求游戏者从个著名城市的名字,要求游戏者从一个城市出发,经过每一个城市一一个城市出发,经过每一个城市一次且仅一次,然后回到出发点。次
7、且仅一次,然后回到出发点。哈密尔顿回路图 此路线称为:此路线称为:哈密尔顿回路哈密尔顿回路, 而此图称为:而此图称为:哈密尔顿图哈密尔顿图。4、“四 色 猜 想” 问 题 人们在长期为地图人们在长期为地图( (平面图平面图) )上色时发上色时发现,最少只要四种颜色,就能使得现,最少只要四种颜色,就能使得有相邻国界的国家涂上不同的颜色有相邻国界的国家涂上不同的颜色 四色猜想的证明一直没有解决,四色猜想的证明一直没有解决,直到一百多年后,在计算机出现以直到一百多年后,在计算机出现以后,于后,于19761976年用计算机算了年用计算机算了12001200多多小时,才证明了四色猜想问题小时,才证明了四
8、色猜想问题。 5、又过了半个世纪 四色猜想问题出现后,图论的研四色猜想问题出现后,图论的研究又停滞了半个世纪,直到究又停滞了半个世纪,直到19201920年年科尼格科尼格写了许多关于图论方面的论写了许多关于图论方面的论文,并于文,并于19361936年发表了第一本关于年发表了第一本关于图论的书。此后图论从理论上到应图论的书。此后图论从理论上到应用上都有了很大发展。特别是计算用上都有了很大发展。特别是计算机的出现使图论得到飞跃的发展。机的出现使图论得到飞跃的发展。 学好图论十分重要 图论是组合数学的一个分支,与其它数学分支图论是组合数学的一个分支,与其它数学分支如群论、矩阵论、集合论、概率论、拓
9、扑学、数如群论、矩阵论、集合论、概率论、拓扑学、数值分析等有着密切的联系值分析等有着密切的联系 。 图论给含有二元关系的系统提供了数学模型,因图论给含有二元关系的系统提供了数学模型,因而在许多领域里都具有越来越重要的地位,并且而在许多领域里都具有越来越重要的地位,并且在物理、化学、信息学、运筹学等各方面都取得在物理、化学、信息学、运筹学等各方面都取得了丰硕的成果。了丰硕的成果。 从二十世际从二十世际50 50 年代以来,由于计算机的迅速发年代以来,由于计算机的迅速发展,有力地推动了图论的发展,使得图论成为数展,有力地推动了图论的发展,使得图论成为数学领域里发展最快的分支之一。学领域里发展最快的
10、分支之一。第第7 7章章 图的概念图的概念本章学习:本章学习:1.1. 无向无向图及有向图图及有向图2.2. 通路、回路、图的连通性通路、回路、图的连通性3.3. 图的矩阵表示图的矩阵表示4.4. 最短路径及关键路径最短路径及关键路径 14今日内容无向图及有向图无向图及有向图图的一些相关概念图的一些相关概念度度握手定理握手定理子图相关概念子图相关概念图同构图同构15预备知识有序积有序积: AB= |xAyB有序对有序对: 无序积无序积: A&B= (x,y) |xAyB无序对无序对: (x,y)=(y,x)多重集多重集: a,a,a,b,b,ca,b,c重复度重复度: a的重复度为的重复度为3
11、, b的为的为2, c的为的为1161 1、无序积、无序积:A&BA&B设设A A、B B为两集合,称为两集合,称a,b|aAbBa,b|aAbB为为A A与与B B 的无序积,记作的无序积,记作A&BA&B。为方便起见,将无序对为方便起见,将无序对a,ba,b记作记作 ( a, b)( a, b)。 ( a, b)( a, b)(b, a)(b, a)例:例:设设A=a,b, B=c,d, A=a,b, B=c,d, 则则A&BA&B? A&AA&A? A&B=( a, c), (a,d),( b,c),( b,d)A&B=( a, c), (a,d),( b,c),( b,d) A&A=(
12、 a, a ),( a, b),( b, b) A&A=( a, a ),( a, b),( b, b)172 2、无向图、无向图一个一个无向图无向图G G是一个二元组是一个二元组,即即G=,G=,其中其中: :. . V V是一个非空集合是一个非空集合, ,称为称为G G的的顶点集顶点集,V,V中元素中元素称为称为顶点顶点或或结点结点; ;. . E E是无序积是无序积V&VV&V的一个的一个多重子集多重子集, ,称称E E为为G G的的边边集集,E,E中元素称为中元素称为无向边无向边或简称或简称边边。用小圆圈表示用小圆圈表示V V中顶点中顶点, ,若若(a,b)E,(a,b)E,就在就在a
13、,ba,b之间连之间连线段表示边线段表示边(a,b),(a,b),其中顶点的位置、连线的曲直及其中顶点的位置、连线的曲直及是否相交都无关紧要。是否相交都无关紧要。18无向图示例 给定无向图G,其中 Vv1,v2,v3,v4,v5,E=(v1,v1),(v1,v2),(v2,v3),(v2,v3),(v2,v5),(v1,v5),(v4,v5). 3 3、有向图、有向图 一个一个有向图有向图D D是一个二元组是一个二元组, 即即D = ,D = ,其中:其中: . . V V同无向图中的顶点集同无向图中的顶点集; ; . . E E是笛卡儿积的是笛卡儿积的多重子集多重子集, ,其元素称为其元素称
14、为有向边有向边, ,也简称也简称边边. .20有向图示例 给定有向图D=,其中 Va,b,c,d,E,。 图的一些概念和规定G表示无向图,但有时用表示无向图,但有时用G泛指图泛指图(无向的或有向的无向的或有向的)。D只能表示有向图。只能表示有向图。V(G),E(G)分别表示分别表示G的顶点集和边集。的顶点集和边集。若若|V(G)|n,则称则称G为为n阶图阶图。若若|V(G)|与与|E(G)|均为有限数,则称均为有限数,则称G为为有限图有限图。 若边集若边集E(G),则称则称G为为零图零图,此时,又若,此时,又若G为为n阶图阶图,则称,则称G为为n阶零图阶零图,记作,记作Nn,特别地,称特别地,
15、称N1为为平凡图平凡图 在图的定义中规定顶点集在图的定义中规定顶点集V为非空集,但在图的运算中为非空集,但在图的运算中可能产生顶点集为空集的运算结果,为此规定顶点集为可能产生顶点集为空集的运算结果,为此规定顶点集为空集的图为空集的图为空图空图,并将,并将空图记为空图记为。 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,将图的集合定义转化成图形表示之后,常用常用ek表示表示无向边无向边(vi,vj)(或或有向边有向边),),并称顶点或边用字母标定的并称顶点或边用字母标定的图为图为标定图标定图,否则称为,否则称为非标定图非标定图。将有向图各有向边均改成无向边后的无将有向图各有向边均改成
16、无向边后的无向图称为原来图的向图称为原来图的基图基图。易知标定图与非标定图是可以相互转化易知标定图与非标定图是可以相互转化的,任何无向图的,任何无向图G的各边均加上箭头就的各边均加上箭头就可以得到可以得到以以G为基图的有向图为基图的有向图。 关联与关联次数、环、孤立点 设设G为无向图,为无向图,ek(vi,vj)E,称称vi,vj为为ek的端点,的端点,ek与与vi或或ek与与vj是是彼此相关联彼此相关联的。的。若若vivj,则称则称ek与与vi或或ek与与vj的的关联次数关联次数为为1。若若vivj,则称则称ek与与vi的的关联次数为关联次数为2,并称,并称ek为为环环。任意的任意的vlV,
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