图论课件第一章_图的基本概念.ppt

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1、 图论及其应用图论及其应用应用数学学院应用数学学院1图论及其应用图论及其应用 作者作者:张先迪、李正良张先迪、李正良 购买地点：教材科购买地点：教材科2参考文献参考文献1 美，帮迪图论及其应用美，帮迪图论及其应用2 美美，Gary Chartrand图图论论导导引引，人人民民邮邮电电出版社，出版社，20073 Bela Bollobas，现现代代图图论论，科科学学出出版版社社，2001 中国科学院研究生教学丛书中国科学院研究生教学丛书4 美美，Fred Buckley图图论论简简明明教教程程，清清华华大大学出版社，学出版社，2005 李慧霸李慧霸 王风芹译王风芹译35 李尉萱，图论，湖南科学技

2、术出版社，李尉萱，图论，湖南科学技术出版社，19796 美，美，Douglas B.West图论导引图论导引，机械工业出，机械工业出版社，版社，2007 李建中，骆吉洲译李建中，骆吉洲译7 杨洪，图论常用算法选编，中国铁道出版杨洪，图论常用算法选编，中国铁道出版社，社，19888 陈树柏，网络图论及其应用，科学出版社，陈树柏，网络图论及其应用，科学出版社，198249 Chris Godsil，Gordon Royle Algebraic Graph Theory，世界图书出版公司北京公司，世界图书出版公司北京公司，200410 王朝瑞，图论，高等教育出版社，王朝瑞，图论，高等教育出版社，19

3、835第一章第一章 图的基本概念图的基本概念本次课主要内容本次课主要内容图的概念与图论模型图的概念与图论模型(一一)、图论课程简介、图论课程简介(二二)、图的定义与图论模型、图的定义与图论模型(三三)、图的同构、图的同构(五五)、顶点的度与图的度序列、顶点的度与图的度序列(四四)、完全图、偶图与补图、完全图、偶图与补图61 1、研究对象、研究对象图论是研究点与线组成的图论是研究点与线组成的“图形图形”问题的一问题的一门科学。属于应用数学分支。门科学。属于应用数学分支。(一一)、图论课程简介、图论课程简介2 2、发展历史、发展历史图论起源于图论起源于18世纪的世纪的1736年，标志事件是年，标志

4、事件是“哥尼斯堡七桥问题哥尼斯堡七桥问题数学家欧拉被称为数学家欧拉被称为“图论之父图论之父”20世纪世纪30年代出版第一本图论著作年代出版第一本图论著作73 3、应用状况、应用状况图论的应用已经涵盖了人类学、计算机科学、图论的应用已经涵盖了人类学、计算机科学、化学、环境保护、流体动力学、心理学、社化学、环境保护、流体动力学、心理学、社会学、交通管理、电信以及数学本身等。会学、交通管理、电信以及数学本身等。目前，图论已形成很多分支：如结构图论、目前，图论已形成很多分支：如结构图论、网络图论、代数图论、拓扑图论等网络图论、代数图论、拓扑图论等4 4、教学安排、教学安排主要介绍图的一些基本概念、基本

5、理论和图主要介绍图的一些基本概念、基本理论和图论的典型应用。论的典型应用。60学时。学时。81 1、图的定义、图的定义(二二)、图的定义与图论模型、图的定义与图论模型一个图是一个序偶一个图是一个序偶，记，记为为G=(V,E),其中：其中：(1)V是一个有限的非空集合，称为顶点集合是一个有限的非空集合，称为顶点集合,其其元素称为顶点或点。用元素称为顶点或点。用|V|V|表示顶点数；表示顶点数；(2)E是由是由V中的点组成的无序对构成的集合，称中的点组成的无序对构成的集合，称为边集，其元素称为边，且同一点对在为边集，其元素称为边，且同一点对在E中可以中可以重复出现多次。用重复出现多次。用|E|E|

6、表示边数。表示边数。9图可以用图形表示：图可以用图形表示：V中的元素用平面上一个黑点表示，中的元素用平面上一个黑点表示，E中的元素用一条连接中的元素用一条连接V中相应点对的任意形状的线表示。中相应点对的任意形状的线表示。例例1、设图、设图G。这里。这里Vv1,v2,v3,v4Ee1,e2,e3,e4,e5,e6，e e1 1(v(v1 1,v,v2 2)，e e2 2(v(v1 1,v,v3 3)，e e3 3(v(v1 1,v,v4 4)，e e4 4(v(v2 2,v,v3 3)，e e5 5(v(v3 3,v,v2 2)，e e6 6(v(v3 3,v,v3 3)。v1v2v3v4e1e

7、2e3e4e5e610图的相关概念：图的相关概念：有限图：顶点集和边集都有限的图称为有限图；有限图：顶点集和边集都有限的图称为有限图；平凡图：只有一个顶点的图称为平凡图；平凡图：只有一个顶点的图称为平凡图；空图：边集为空的图称为空图；空图：边集为空的图称为空图；n阶图：顶点数为阶图：顶点数为n的图称为的图称为n阶图；阶图；(n,m)图：顶点数为图：顶点数为n,边数为边数为m的图称为的图称为(n,m)图；图；边的重数：连接两个相同顶点的边的条数称为边的重数；边的重数：连接两个相同顶点的边的条数称为边的重数；重数大于重数大于1的边称为重边；的边称为重边；环：端点重合为一点的边称为环；环：端点重合为

8、一点的边称为环；简单图：无环无重边的图称为简单图；其余的图称为简单图：无环无重边的图称为简单图；其余的图称为复合图；复合图；11顶点顶点u与与v相邻接：顶点相邻接：顶点u与与v间有边相连接；其中间有边相连接；其中u与与v称为称为该边的两个端点；该边的两个端点；顶点顶点u与边与边e相关联：顶点相关联：顶点u是边是边e的端点；的端点；边边e1与边与边e2相邻接：边相邻接：边e1与边与边e2有公共端点；有公共端点；2 2、图论模型、图论模型为了抽象和简化现实世界，常建立数学模型。图是关系的为了抽象和简化现实世界，常建立数学模型。图是关系的数学表示，为了深刻理解事物之间的联系，图是常用的数学数学表示，

9、为了深刻理解事物之间的联系，图是常用的数学模型。模型。(1)化学中的图论模型化学中的图论模型19世纪，化学家凯莱用图论研究简单烃世纪，化学家凯莱用图论研究简单烃即碳氢化合物即碳氢化合物12用点抽象分子式中的碳原子和氢原子，用边抽象原子间用点抽象分子式中的碳原子和氢原子，用边抽象原子间的化学键。的化学键。通过这样的建模，能很好研究简单烃的同分异构现象通过这样的建模，能很好研究简单烃的同分异构现象例如：例如：C4H10的两种同分异构结构图模型为：的两种同分异构结构图模型为：hhhhhhhhhhhhhhhhhhhh13(2)商业中的图论模型商业中的图论模型商业中，经常用图来对仓库和零售店进行建模商业

10、中，经常用图来对仓库和零售店进行建模例如：令例如：令V=w1,w2,w3,r1,r2,r3,r4,r5代表代表3个仓库和个仓库和5个零售点个零售点E=w1r1,w1r2,w2r2,w2r3,w2r4,w3r3,w3r5代表每个仓库和每个代表每个仓库和每个零售店间的关联。则图模型图形为：零售店间的关联。则图模型图形为：w1r1r2w2r3r4w3r5(3)最短航线问题最短航线问题14用点表示城市，两点连线当且仅当两城市有航线。为了用点表示城市，两点连线当且仅当两城市有航线。为了求出两城市间最短航线，需要在线的旁边注明距离值。求出两城市间最短航线，需要在线的旁边注明距离值。例如：令例如：令V=a,

11、b,c,d,e代表代表5个城市个城市E=a b,ad,b c,be,de代表城市间的直达航线代表城市间的直达航线则航线图的图形为：则航线图的图形为：abcde500320140430370请求出从请求出从d到到c的最短路的最短路15(4)任务分配问题任务分配问题 有一个旅行团要组织一批人去旅游，其中一些人是朋友有一个旅行团要组织一批人去旅游，其中一些人是朋友他们要乘坐公共汽车去，而车上的位子是成对的。因此他们要乘坐公共汽车去，而车上的位子是成对的。因此为了让大家旅途更愉快，旅行团负责人需要将成对的朋为了让大家旅途更愉快，旅行团负责人需要将成对的朋友安排在一起。给出一种安排方案。友安排在一起。给

12、出一种安排方案。该问题可以建立一个图论模型来解决：旅行团的人抽象该问题可以建立一个图论模型来解决：旅行团的人抽象为图的顶点，两个顶点连线，当且仅当两个顶点代表的为图的顶点，两个顶点连线，当且仅当两个顶点代表的人是朋友。人是朋友。问题归结于在模型图中求所谓的问题归结于在模型图中求所谓的“匹配匹配”，关于图的匹配，关于图的匹配将在第五章介绍。将在第五章介绍。16(5)考试时间安排问题考试时间安排问题 一个教授需要对期末考试时间进行安排，使得学生们一个教授需要对期末考试时间进行安排，使得学生们不会有相互冲突的考试。如何解决？不会有相互冲突的考试。如何解决？该问题可以建立一个图论模型来解决：待考的课程

13、可该问题可以建立一个图论模型来解决：待考的课程可抽象为图的顶点，连接两个顶点的边表示至少有一个学生抽象为图的顶点，连接两个顶点的边表示至少有一个学生同时选择了这两门课程。同时选择了这两门课程。问题归结于在模型图中求所谓的问题归结于在模型图中求所谓的“顶点着色方案顶点着色方案”问题，问题，该问题将在第七章讨论。该问题将在第七章讨论。例如：有例如：有a,b,c,d,e,f 六门课程。按照上面方法建立六门课程。按照上面方法建立的模型图如下：的模型图如下：17 一种可行的安排方案为：第一时间：一种可行的安排方案为：第一时间：a,d,e;第二时间：第二时间：b,f；最后：；最后：c.abcefd 另一种

14、可行的安排方案为：第一时间：另一种可行的安排方案为：第一时间：a,e;第二时间：第二时间：c,d；最后：；最后：b,f.(6)旅行售货员问题旅行售货员问题 一电脑代理商要从她所在城市出发，乘飞机去六个城市，一电脑代理商要从她所在城市出发，乘飞机去六个城市，然后回到出发点，如果要求每个城市只经历一次，能否办然后回到出发点，如果要求每个城市只经历一次，能否办到？给出行走方案。到？给出行走方案。18 问题归结为在模型图中寻求所谓的问题归结为在模型图中寻求所谓的“哈密尔顿圈哈密尔顿圈”问题。问题。将在第四章介绍。将在第四章介绍。例如：如果模型图如下：例如：如果模型图如下：该问题可以建立一个图论模型来解

15、决：城市抽象为该问题可以建立一个图论模型来解决：城市抽象为图的顶点，边代表城市间的直达航线。图的顶点，边代表城市间的直达航线。abcdef 可行方案可行方案:(1)h,d,e,c,b,a,h (2)h,d,e,c,a,b,h19 在图论中，一个很值得研究的问题是如何比较两个在图论中，一个很值得研究的问题是如何比较两个图的异同，这就是图的同构问题。图的异同，这就是图的同构问题。定义：设有两个图定义：设有两个图G1=(V1,E1)和和G2=(V2,E2),若在其顶点若在其顶点集合间存在双射，使得边之间存在如下关系：设集合间存在双射，使得边之间存在如下关系：设u1u2v1v2,u1,v1 V1,u2

16、,v2 V2;u1v1 E1,当且当且仅仅当当u2v2 E2,且且u1v1与与u2v2的重数相同。称的重数相同。称G1与与G2同构，同构，记为记为：由定义可以得到图同构的几个必要条件：由定义可以得到图同构的几个必要条件：(三三)、图的同构、图的同构(1)顶点数相同；顶点数相同；(2)边数相同；边数相同；(3)关联边数相同的顶点关联边数相同的顶点个数相同。个数相同。20 判定图的同构是很困难的，属于判定图的同构是很困难的，属于NP完全问题。对于规模完全问题。对于规模不大的两个图，判定其是否同构，可以采用观察加推证的不大的两个图，判定其是否同构，可以采用观察加推证的方法。方法。例例2 证明下面两图

17、不同构。证明下面两图不同构。u1v1证明证明:u1的两个邻接点与的两个邻接点与v1的两个邻接点状况不同。所以，的两个邻接点状况不同。所以，两图不同构。两图不同构。21 例例3 证明下面两图同构。证明下面两图同构。证明证明:作映射作映射f:vi ui (i=1,2.10)容易证明，对容易证明，对 vi v j E(a),有有f(v i vj,),ui,uj,E,(b)(1 i 10,1 j 10)由图的同构定义知，图由图的同构定义知，图(a)与与(b)是同构的。是同构的。22 例例4 指出指出4个顶点的非同构的所有简单图。个顶点的非同构的所有简单图。分析：四个顶点的简单图最少边数为分析：四个顶点

18、的简单图最少边数为0，最多边数为，最多边数为6，所以，所以可按边数进行枚举。可按边数进行枚举。23(四四)、完全图、偶图与补图、完全图、偶图与补图1、每两个不同的顶点之间都有一条边相连的简单图称为、每两个不同的顶点之间都有一条边相连的简单图称为完全图完全图.在同构意在同构意义义下，下，n个个顶顶点的完全点的完全图图只有一个，只有一个，记为记为 KnK2K3K5容易求出：容易求出：24 2、所谓具有二分类（、所谓具有二分类（X,Y）的偶图（或二部图）是指一个图，）的偶图（或二部图）是指一个图，它的点集可以分解为两个它的点集可以分解为两个(非空非空)子集子集X和和Y，使得每条边的一个，使得每条边的

19、一个端点在端点在X中，另一个端点在中，另一个端点在Y中中.完全偶图是指具有二分类（完全偶图是指具有二分类（X,Y）的简单偶图，其中）的简单偶图，其中X的每个顶点与的每个顶点与Y的每个顶点相连，若的每个顶点相连，若|X|=m，|Y|=n，则这样，则这样的偶图记为的偶图记为 K m,n 图图1图图2 图图1与图与图2均是偶图，图均是偶图，图2是是K2,3253、对对于一个于一个简单图简单图G=（V,E），令集合），令集合则图则图H=（V，E1E）称为称为G的补图，记为的补图，记为 例如，如下两个例如，如下两个图图是互是互补补的。的。定理：若定理：若n阶图阶图G是自是自补图补图(),则则有：有：证证

20、明：明：n阶图阶图G是自是自补图补图，则则有：有：26所以：所以：由于由于n是正整数，所以：是正整数，所以：(五五)、顶点的度与图的度序列、顶点的度与图的度序列G的顶点的顶点v的度的度d(v)是指是指G中与中与v关联的边的数目，关联的边的数目，每个环计算两次。每个环计算两次。1、顶顶点的度及其性点的度及其性质质分别用分别用(G)(G)和和(G)(G)表示图表示图G G的最小与最大度。的最小与最大度。27奇数度的顶点称为奇点，偶数度的顶点称偶点。奇数度的顶点称为奇点，偶数度的顶点称偶点。设设G=(V,E)为简单图为简单图，如果，如果对对所有所有 ，有，有d(v)=k，称，称图图G为为k-正则图正

21、则图 定理：定理：图图G=(V,E)中所有顶点的度的和等于边数中所有顶点的度的和等于边数m的的2倍，即：倍，即：证明：由顶点度的定义知：图中每条边给图的总证明：由顶点度的定义知：图中每条边给图的总度数贡献度数贡献2度，所以，总度数等于边数度，所以，总度数等于边数2倍。倍。注：该定理称为图论第一定理，是由欧拉提出的。注：该定理称为图论第一定理，是由欧拉提出的。欧拉一身发表论文欧拉一身发表论文886篇，著作篇，著作90部。该定理还有部。该定理还有一个名字：一个名字：“握手定理握手定理”。28推论推论1 在任何图中，奇点个数为偶数。在任何图中，奇点个数为偶数。证明：设证明：设V1,V2分别是分别是G

22、中奇点集和偶点集中奇点集和偶点集.则由则由握手定理有：握手定理有：是偶数，由于是偶数，由于 是偶数，是偶数，所以所以 是是偶数，于是偶数，于是 是偶数。是偶数。推论推论2 正则图的阶数和度数不同时为奇数正则图的阶数和度数不同时为奇数。证明证明：设设G是是k-正则图，若正则图，若k为奇数，则由推论为奇数，则由推论1知知正则图正则图G的点数必为偶数的点数必为偶数 例例4 与与是简单图是简单图G的最大度与最小度，求证：的最大度与最小度，求证：29证明：由握手定理有：证明：由握手定理有：所以有：所以有：2、图图的度序列及其性的度序列及其性质质一个图一个图G的各个点的度的各个点的度d1,d2,dn构成的

23、非负整数组构成的非负整数组(d1,d2,dn)称为称为G的度序列的度序列。任意一个图任意一个图G对应唯一一个度序列，图的度序列是对应唯一一个度序列，图的度序列是刻画图的特征的重要刻画图的特征的重要“拓扑不变量拓扑不变量”。30图图G 的的“拓扑不变量拓扑不变量”是指与图是指与图G有关的一个数有关的一个数或数组或数组(向量向量)。它对于与图。它对于与图G同构的所有图来说，同构的所有图来说，不会发生改变。不会发生改变。一个图一个图G可以对应很多拓扑不变量。如果某组不变可以对应很多拓扑不变量。如果某组不变量可完全决定一个图，称它为不变量的完全集。量可完全决定一个图，称它为不变量的完全集。定理：非负整

24、数组定理：非负整数组(d1,d2,.,d n)是图的度序列的是图的度序列的充分必要条件是：充分必要条件是：为偶数。为偶数。证明：必要性由握手定理立即得到。证明：必要性由握手定理立即得到。如果如果 为偶数，则数组中为奇数的数字个数为偶数，则数组中为奇数的数字个数必为偶数。按照如下方式作图必为偶数。按照如下方式作图G:若若di为偶数，则在为偶数，则在与之对应的点作与之对应的点作di/2个环；对于剩下的偶数个奇数，个环；对于剩下的偶数个奇数，31两两配对后分别在每配对点间先连一条边，然后两两配对后分别在每配对点间先连一条边，然后在每个顶点画在每个顶点画dj-1/2个环。该图的度序列就是已知个环。该图

25、的度序列就是已知数组。数组。一个非负数组如果是某简单图的度序列，我们称一个非负数组如果是某简单图的度序列，我们称它为可图序列，简称图序列。它为可图序列，简称图序列。关于图序列，主要研究关于图序列，主要研究3个问题：个问题：(1)存在问题：什么样的整数组是图序列？存在问题：什么样的整数组是图序列？(2)计数问题：一个图序列对应多少不同构的图？计数问题：一个图序列对应多少不同构的图？(3)构造问题：如何画出图序列对应的所有不同构图？构造问题：如何画出图序列对应的所有不同构图？研究现状研究现状:(1)彻底解决了，彻底解决了，(2)解决得不好，解决得不好，(3)没有解决。没有解决。32定理：非负整数组

26、定理：非负整数组是图序列的充分必要条件是：是图序列的充分必要条件是：是图序列。是图序列。证明：证明：设设G是是对应的简单图，对应的简单图，d(vi)=di情形情形1：点：点v1与点与点v2,v3,vd1+1邻接，则邻接，则G-v1的度序列正好的度序列正好为为1 133情形情形2：点：点v1与点与点vd1+2，.vn的某些顶点邻接。在这种的某些顶点邻接。在这种情况下，作如下假设：设情况下，作如下假设：设v1与与vj0邻接，但当邻接，但当kj0时，时，v1与与vk不邻接；又设不邻接；又设v1与与vi0不邻接，但当不邻接，但当ki0时，时，v1与点与点vk邻接。邻接。v1v2v3vi0-1vj0vi

27、0vn则在图中，必然存在点则在图中，必然存在点v m，使得，使得v m与与vi0邻接，但是邻接，但是它与它与vj0不邻接，否则，有不邻接，否则，有dj0di0+1,矛盾！矛盾！现在，在图中去掉边现在，在图中去掉边v1vj0和和vi0vm,加上边加上边vj0vm和和v1vi0,显然新图与原图度序列相同，但显然新图与原图度序列相同，但j0减小了，减小了，i0增大了！增大了！34如此进行下去，最后可以变情形如此进行下去，最后可以变情形2为情形为情形1。是显然的。是显然的。例例5 是否为图序列？如果是，是否为图序列？如果是，作出对应的一个简单图。作出对应的一个简单图。解：解：由于由于 是图序列，所以原

28、序列是是图序列，所以原序列是图序列。图序列。35定理定理:(厄多斯厄多斯1960)非负整数组非负整数组是图序列的充分必要条件是：是图序列的充分必要条件是：该定理证明很难！该定理证明很难！上世纪上世纪60年代以来，人们又研究所谓的唯一图序列问题。年代以来，人们又研究所谓的唯一图序列问题。例例5就是一个唯一图序列！就是一个唯一图序列！36定理定理:一个满足一个满足d2=dn-1的图序列的图序列是唯一图序列的充分必要条件是下列条件之一满足：是唯一图序列的充分必要条件是下列条件之一满足：373、图图的的频频序列及其性序列及其性质质定理：定理：一个简单图一个简单图G的的n个点的度不能互不相同个点的度不能

29、互不相同 证明：证明：因为图因为图G为简单图为简单图，所以所以：(G)n-1。情形情形1：若：若G没有孤立点，则没有孤立点，则 由鸽笼原理：必有两顶点度数相同；由鸽笼原理：必有两顶点度数相同；情形情形2：若：若G只有一个孤立点，设只有一个孤立点，设G1表示表示G去掉孤去掉孤立点后的部分，则：立点后的部分，则：由鸽笼原理：在由鸽笼原理：在G1里必有两顶点度数相同；里必有两顶点度数相同；情形情形3：若：若G只有两个以上的孤立点，则定理显然只有两个以上的孤立点，则定理显然成立。成立。38定义：定义：设设n阶图阶图G的各点的度取的各点的度取s个不同的非负整数个不同的非负整数d1,d2,ds。又设度为。又设度为di的点有的点有bi个个(i=1,2,s)，则，则 故非整数组故非整数组(b1,b2,bs)是是n的一个划分，称为的一个划分，称为G的频的频序列。序列。定理：定理：一个一个n阶图阶图G和它的补图有相同的频序列。和它的补图有相同的频序列。39作业作业P29P30 3,4,5,6,8,9,10,1140Thank You!41