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离散数学 ​

第七章 图 ​

邻域、顶点的度 ​

  • 邻域NG(v):与v相邻的点的集合,NG(v)={u|u∈V(G)∧(u,v)∈E(G)∧u≠v}

从定义来看,有自环的点的邻域不算自身

  • 关联集IG(v):与v关联的边的集合,IG(v)={e|e与v关联}
  • 度dG(v):与v关联的边的次数之和
  • 出度、入度

注意:环对于结点度的贡献是 2,孤立顶点的度为 0

  • 最大度Δ(G),Δ;最小度δ(G),δ

周长与围长 ​

  • 周长c(G):含圈的无向简单图G中,G中最长圈的长度。
  • 围长g(G):G中最短圈的长度。

握手定理 ​

  1. 每个图中,结点度数的总和等于边数的两倍。

    ∑v∈Vdeg⁡(v)=2|E|
  2. 有向图中,出度和与入度和相等且等于边数。

    ∑i=1nd+(vi)=∑i=1nd−(vi)=m
  3. 推论:在任何图中,奇数度顶点的个数是偶数。

简单图、零图、k-正则图 ​

  • 简单图:无环、无平行边
  • 零图:无边

辨别:平凡图:1阶零图;空图:无点

  • k-正则图:无向简单图且各个点的度数均为k

可简单图化、同构 ​

前提:可图化(度数总和为偶数)

  • Havel 定理:每次删去图上度数最大的一个点,若删去后的图仍为可图化的且未出现负数度顶点,则继续,否则不可简单图化。

  • Erdös 定理:

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  • 同构:

Havel 定理中能选择点的时候就可以出不同构的图了吧。

极大路径 ​

原路径Γl使用扩大路径法扩大后的极大路径Γl+k的两个端点不与路径外的顶点相邻。

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割点、桥、点连通度、边连通度 ​

  • 割点:v是割点⇔{v}是点割集
  • 桥:(u,v)是桥⇔{(u,v)}是边割集
  • 点连通度κ:最小的点割集中的点数,规定κ(Kn)=n−1,而如果G非连通,则κ(G)=0。
  • 边连通度λ:最小的边割集中的边数,如果G非连通,则λ(G)=0。
  • Whitney 定理:κ≤λ≤δ

很好理解,边割集最差情况是一个点的所有关联边,最好的情况是桥;点割集(除了割点之外)最差的就是拿掉某个边割集中的边某侧所关联的所有的点。

二部图、完全二部图 ​

  • 二部图:(定理 7.8)一个无向图∗G=<V,E>∗是二部图当且仅当∗G∗中无奇圈。
  • 完全二部图:完全二部图 ∗Kn,n∗的周长是2n,围长是4。

重点习题 ​

邻域、顶点的度 握手定理

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由边数得总度数为2×16=32,32−3×4−4×3=8,而其余顶点度数均小于3,则至少还有8÷(3−1)=4个顶点。图G中至少有4+3+4=11个顶点。

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对多面体建模,设图共有n个面,各个面编号为1,2,...,n。令图G=<V,W>,其中点集V={vi|i是一个面},边集E={(vi,vj)|i与j有公共棱}。则多面体编号为i的面的棱的数量就是点vi的度数d(vi)。如果空间中存在有奇数个面且每个面均有奇数条棱的多面体,则G的总度数∑i=1nd(vi)为奇数。由握手定理,总度数必为偶数,则空间中不可能存在有奇数个面且每个面均有奇数条棱的多面体。

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设共有n个选手,若下过则连边。如果找不到两名下过盘数是相同的选手,说明所有选手的盘数各不相同。而一个选手至多下n−1盘,至少下1盘,此时至多只能满足n−1个选手的盘数各不相同。因此总能找到两名选手下过的盘数是相同的。

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若G中两个奇数度顶点不连通,则G中的两个奇数度顶点分属两个连通分支G1和G2。此时G1或G2中都只有一个奇数度顶点,度数和为奇数,矛盾。

可简单图化、同构

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极大路径

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第八章 欧拉图与哈密顿图 ​

欧拉图 ​

  • 欧拉回路:通过所有边一次的简单回路
  • 欧拉路,欧拉通路:通过所有边一次的简单通路
  • 欧拉图:有欧拉回路的图
  • 半欧拉图:有欧拉通路,无欧拉回路的图

规定平凡图为欧拉图 辨别:平凡图:1阶零图;空图:无点 环不影响图的欧拉性

  • 定理 1:设G是无向连通图,则

    G是欧拉图⇔G中所有顶点都是偶数度⇔G是若干个边不交的圈的并
  • 定理 2:设G是无向连通图,则

    G是半欧拉图⇔G中恰有2个奇度顶点
  • 定理 3:设G是有向连通图,则

G是欧拉图⇔∀v∈V(G),d+(v)=d−(v)⇔G是若干个边不交的有向圈的并
  • 定理 4:设G是有向连通图,则
G是半欧拉图⇔G中恰有2个奇度顶点,其中1个入度比出度大1,另1个出度比入度大1,其余顶点入度等于出度

哈密顿图 ​

  • 哈密顿回路:经过所有顶点一次的初级回路
  • 哈密顿通路:经过所有顶点一次的初级通路

初级意味着点不重

  • 哈密顿图:有哈密顿回路的图
  • 半哈密顿图:有哈密顿通路,无哈密顿回路的图

平凡图是哈密顿图

  • 定理 6(哈密顿图性质):设无向图G是哈密顿图,则对任意V1∈V有p(G−V1)≤|V1|。
  • 定理 6 推论:设无向图G是半哈密顿图,则对任意V1∈V有p(G−V1)≤|V1|+1。

挺好理解的,哈密顿回路就是一个大圈,拿掉一个点就可以变成哈密顿通路

  • 定理 7:若n(≥2)阶无向简单图G中,任意不相邻的顶点u和v有d(u)+d(v)≥n−1,则G中存在哈密顿通路。

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  • 定理 7 推论(哈密顿图判定):若n(≥3)阶无向简单图G中,任意不相邻的顶点u和v有d(u)+d(v)≥n,则G是哈密顿图。

完全图Kn中边不重的哈密顿回路的数量 ​

  • 定理 11:完全图K2k+1(k≥1)中含k条边不重的哈密顿回路,且这些回路中含K2k+1中的全部边。
  • 定理 11 推论:完全图K2k(k≥2)中含k−1条边不重的哈密顿回路,删除这些边之后得到的是一个匹配。

重点习题 ​

欧拉图

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欧拉图是若干个边不交的圈的并,至少拿掉 2 条边才能破坏其连通性。

哈密顿图

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用这个定理定理 6(哈密顿图性质):设无向图G是哈密顿图,则对任意V1∈V有p(G−V1)≤|V1|。 ,对于(a)拿掉5个4度顶点,此时产生了7个连通分支,不满足定理 6。

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构造哈密顿回路,保证每个点都能有边。

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第九章 树 ​

树 ​

  • 定理 1(六个等价定义):

    G是树(G连通且无回路)⇔G中任二顶点之间存在唯一路径⇔G中无圈,m=n−1⇔G连通,m=n−1⇔G连通,每条边均为桥⇔G中无圈,但在任二不同顶点之间增加新边可构造唯一的圈

生成树 ​

  • 生成子图:包含所有顶点的子图

导出子图:选边,再往点集加关联的点

  • 生成树T:T是G的生成子图且是树。
  • 定理 3(存在定理):无向图G具有生成树当且仅当G是连通的。
  • 生成树的求法:
    • 破圈法:若图中无圈,则图本身就是生成树。否则删去圈上的任一条边,这不破坏连通性,重复进行直到无圈为止,剩下的图是一棵生成树。

    • 定理 6(求生成树的个数τ(G)):τ(G)=τ(G−e)+τ(G∖e)

    • 定理 3:记Mf′是Mf(G)中任意n−1列组成的方阵,则T是G的生成树⇔Mf′的行列式|Mf′|≠0。

      1. 忽略环,求关联矩阵
      2. 任选参考点,求基本关联矩阵
      3. 求所有n−1阶子方阵,计算行列式,行列式非0的是生成树

基本回路系统、环路空间 ​

  1. 通过弦确定基本回路,给出基本回路系统
  2. 利用基本回路系统中的元素进行环合运算(参与运算的元素从0个开始到所有元素一起参与)
  • 维数:m−n+1

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基本割集系统、断集空间 ​

割集是断集,断集不一定是割集(可满足连通分支数目增加,但不一定满足极小性)

  1. 通过树枝确定割集,给出基本割集系统
  2. 利用基本割集系统中的元素进行对称差运算
  • 维数:n−1

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根树 ​

  • 根树是有向树,其为平凡树或只有一个顶点入度为0而其他顶点的入度均为1。
  • 顶点v的层数L(v):从树根到v路径长度
  • 树高h(T):顶点的最大层数

r叉树 ​

  • r叉树:∀v∈V(T),d+(v)≤r
  • 正则r叉树:每个分支点恰好有r个儿子
  • 完全正则r叉树:树叶的层数均为树高的r叉正则树
  • 定理 14.13:设正则∗r(≥2)∗叉树T有∗i∗个分支点和∗t∗个树叶,则(r−1)i=t−1。
    • 证明:握手定理,有向图的出度和和入度和相等且等于边数。

重点习题 ​

树 根树

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∑d=9+3×3+(n−9−3)×4=2×(n−1)⇒n=14,n−9−3=2

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生成树

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基本回路系统、环路空间 基本割集系统、断集空间

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r叉树

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第十章 图的矩阵表示 ​

关联矩阵 ​

行为点,列为边。

  • 有向图:

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  • 无向图:

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  • 性质:

    • 平行边对应的列相同
    • 不能表示自环
    • 无向图关联矩阵中,每行所有1对应的边构成断集
  • 基本关联矩阵:选取一个参考点,从关联矩阵M(G)中删除参考点对应的行,记作Mf(G)。

邻接矩阵、相邻矩阵 ​

可以表示环,aij表示从vi到vj的边数。

  • 有向图邻接矩阵:

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    • 每行和为出度,每列和为入度,主对角元表示环
  • 邻接矩阵求通路数:ait⋅atj即vi经过vt到vj的边数

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    • 对每个非0元和主对角元置1,即可得到可达矩阵。
  • 无向图相邻矩阵:是对称矩阵。

    • 使用相邻矩阵求通路数、连通矩阵,和邻接矩阵相似。

重点习题 ​

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使用基本关联矩阵法。

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第十一章 平面图 ​

平面图 ​

  • 可平面图/平面图:可以画在平面上,使得边与边不在非顶点处相交的图
  • 平面嵌入(平面表示):画在平面上使得边与边不在非顶点处相交的图

可平面图主要表明图具有平面性质,平面嵌入是平面图的一种表示形式,平面图的平面嵌入不唯一

  • 性质

    • 定理 2:所有面的次数和为边数的两倍。(其实就是握手定理)

    • 定理 8、定理 9:

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    • 定理10:

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    • 定理11:

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    • 定理12:简单平面图G,δ(G)≤5。

  • Kuratowski 定理(平面图判定定理)

    图G是平面图⇔G没有与K5同胚的子图,也没有与K3,3同胚的子图⇔G没有可以边收缩到K5的子图,也没有可以边收缩到K3,3的子图

    例题:

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    这里为什么可以删除边呢?因为定理要求的是没有和K3,3或K5同胚的子图。

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极大平面图 ​

  • 极大平面图:是平面图,但在任意两个不相邻顶点之间加边就是非平面图。
  • 性质:
    • 一定连通,否则不极大

    • 不含有割点和桥。如果含有割点,则一定可以加边。

    • 定理 4:n(≥3)阶简单连通平面图是极大平面图⇔∀R,deg⁡(R)=3

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      不能同时把(v1,v3)和(v2,v4)在不经过该平面内的情况下都连起来

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欧拉公式 ​

  • 欧拉公式:n−m+r=2
  • 推广:n−m+r=p+1

对偶图、自对偶图 ​

  1. 在G的每个面内取一个点作为顶点
  2. 如果两个面有公共边,则将两个面取的顶点过公共边连边。如果是悬挂边,那就是自环。
  • 性质:

    • 无论原图如何,对偶图G∗是连通的。

    很好理解,因为一定有一个外部面的点

    • 定理 15:
    n∗=rm∗=mr∗=ndG∗(v∗)=deg⁡(R)
    • 定理 16 同欧拉公式推广。
  • 自对偶图:G≅G∗

  • 轮图Wn:阶数n,外圈Cn−1

    • n≥4时,轮图Wn是自对偶图

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重点习题 ​

平面图

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只需构造其平面嵌入。

证明非平面图时需要用Kuratowski 定理(平面图判定定理) 。

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欧拉公式 对偶图、自对偶图

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平面图有n−m+r=2。

(⇒)对偶图G∗为欧拉图,则所有点度数为偶数,由对偶图性质得G中每个面的次数均为偶数。

(⇐)差不多这么证明吧。

第十二章 图的着色 ​

色数 ​

  • 点色数χ(G)

    • 特殊的点色数

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    • 定理 5:χ(G)≤Δ(G)+1

    很好理解,这里的+1就是d(vk)=Δ(G)的那个点。

    • 定理 6(Brooks 定理):若连通图G不是完全图Kn(n≥3),也不是奇圈,则χ(G)≤Δ(G)。

    相邻点中有两个点着同色,只要这两点不相邻就行,不是完全图保证了这一点。而如果是奇圈,d=2,但χ=3。

  • 边色数χ′(G)

    • 特殊的边色数
      • 二部图G,χ′(G)=Δ(G)
      • 完全图Kn:n>1时,χ′(Kn)={n,n为奇数n−1,n为偶数
    • 定理 17(Vizing 定理):Δ(G)≤χ′(G)≤Δ(G)+1
  • 面色数χ∗(G)

    • 定理 13、14:研究平面图面着色⇔研究平面图点着色

五色定理 ​

  • 定理 15:任何平面图都可6-着色。

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  • 定理 16:任何平面图都可5-着色。

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色数多项式 ​

  • 递推公式:
f(G,k)=f(G∪e,k)+f(G∖e,k),e∉Ef(G,k)=f(G−e,k)−f(G∖e,k),e∈E

加边约束了着色条件,所以加上收缩边的色数;减边放宽了着色条件,所以减去收缩边的色数。

  • 特殊的色数多项式

    • 零图:f(Nn,k)=kn

    各个点相互独立

    • 完全图:f(Kn,k)=∏i=0n−1(k−i)f(Kn,k)=f(Kn−1,k)(k−(n−1))

    每加入一个点,就用掉一种颜色

    • 树:f(T,k)=k(k−1)n−1

    树根有k种着色方式,对于每个后代只需要选择和父节点不同的颜色就可以,所以除了树根之外的k−1个顶点各有n−1种着色方式。

    • 圈:f(Cn,k)=(k−1)n+(−1)n(k−1)

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应用 ​

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  • 同色边构成“边独立集”, 或“匹配”

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重点习题 ​

色数 色数多项式

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应用

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第十三章 支配集、覆盖集、独立集与匹配集 ​

支配集 ​

  • 支配集:是点集V的子集,满足任何在V−V∗中的点能和V∗中的某点相邻。
  • 极小支配集:真子集都不是支配集的支配集。
  • 最小支配集:|V∗|最小的支配集
  • 支配数γ0:γ0(G)=|V∗|,V∗是最小支配集
  • 定理 1:无向图G无孤立点,如果V1∗是极小支配集,则在V−V1∗中存在V2∗也是极小支配集。

点覆盖 ​

  • 点覆盖:∀e∈E,\existv∈V∗,v关联e
  • 极小点覆盖:真子集都不是点覆盖的点覆盖。
  • 最小点覆盖:|V∗|最小的点覆盖
  • 点覆盖数α0:α0(G)=|V∗|,|V∗|是最小点覆盖

边覆盖 ​

  • 边覆盖:∀v∈V,\existe∈E∗,e关联v
  • 极小边覆盖:真子集都不是边覆盖的边覆盖。
  • 最小边覆盖:|E∗|最小的边覆盖
  • 点覆盖数α1:α1(G)=|E∗|,|E∗|是最小边覆盖

独立集 ​

  • 独立集:独立集中任意两点之间没有边
  • 极大独立集:真母集都不是独立集的独立集
  • 最大独立集:|V∗|最大的独立集
  • 独立数β0:β0(G)=|V∗||V∗|是最大独立集
  • 定理 2:无向图G无孤立点,则图中的极大独立集是极小支配集。

逆命题不成立

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  • 定理 3:无向图G无孤立点,V∗是点覆盖⇔V−V∗是独立集。

  • 定理 3 推论:V∗是极(最)小点覆盖⇔V−V∗是极(最)大独立集,α0+β0=n

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匹配(边独立集) ​

  • 匹配数β1:β1(G)=|E∗|,E∗是最大匹配

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  • 最大匹配:

    • 定理 9(Berge 定理):M是G中最大匹配⇔G中无M可增广路径
  • 完美匹配:没有非饱和点的匹配。

    • 定理 10(Tutte 定理):G有完美匹配⇔∀V′⊂V(G),p奇(G−V′)≤|V′|,p奇是奇数阶连通分支数
  • 完备匹配:二部图小的那一部分均为饱和点的匹配。

    • 定理 11(Hall 条件):|V1|≤|V2|,∀S⊆V1,|S|≤|N(S)|,相异性条件
    • 定理 12(t 条件):设G=<V1,V2,E>是二部图,若V1中每个顶点至少关联t(t≥1)条边,而V2中每个顶点至多关联t条边,则G中存在完备匹配。
    • t条件⇒∃完备匹配⇔Hall条件

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团 ​

  • 团:G[V∗]是完全子图
  • 极大团:V∗是团,其真母集都不是
  • 最大团:|V∗|最大的团
  • 团数:ν0(G)=|V∗|,V∗是最大团

运算律(不知道有没有用) ​

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重点习题 ​

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