Chap6 图的基本概念、通路回路与连通性
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1、资料来源与学习目标
本章对应北大离散数学刘田老师“集合论与图论”第六章。Auto_Tutor 中整理到的资料包括:
| 资料 | 内容 |
|---|---|
| 6.1 图的基本概念 | 图、无向图、有向图、简单图、度、握手定理、度数列、Havel 定理、图同构、子图、补图 |
| 6.2 通路与回路 | 通路、简单通路、初级通路、回路、圈、周长、围长、扩大路径法 |
| 6.3 无向图的连通性 | 连通关系、连通分支、距离、直径、二部图、强/单向/弱连通 |
| 6.4 无向图的连通度 | 点割集、边割集、割点、桥、点连通度、边连通度、Whitney 不等式、Menger 定理、块 |
| 006 习题与答案 | 习题 1、2、3、5、11、14、16、18、22、25,重点考察握手定理、补图、自补图、极大路径法、连通度和块 |
本章的核心目标:把图论的对象语言搭起来。先会数点、数边、数度,再会判断“走法”和“连通性”,后面的欧拉图、哈密顿图、树、平面图都会反复调用这些定义。
2、颜色标注
| 颜色 | 含义 |
|---|---|
| 粉色 | 必背、必会证明、后续章节反复使用 |
| 蓝色 | 核心术语和定义 |
| 橙色 | 易错点、边界条件 |
| 绿色 | 理解提示和后续连接 |
3、章节主线
| 模块 | 本章要会什么 | 后续连接 |
|---|---|---|
| 图的定义 | 会区分无向图、有向图、多重图、简单图 | 所有图论章节 |
| 度与握手定理 | 会用 sum d(v)=2m 和奇度顶点偶数性 |
欧拉图、树 |
| 度数列 | 会判断可图化、可简单图化 | 构造图与反例 |
| 图同构与图族 | 会识别同构不变量、完全图、二部图、补图 | 自补图、平面图 |
| 通路与回路 | 会区分 walk、trail、path、cycle | 欧拉/哈密顿 |
| 连通性 | 会找连通分支、距离、二部图判定 | 树、网络连通 |
| 连通度 | 会用割点、桥、点/边连通度衡量可靠性 | Menger、块 |
4、图的基本概念
4.1 无向图与有向图
无向图:
1 | G=<V,E> |
有向图:
1 | D=<V,E> |
常见术语:
| 概念 | 含义 |
|---|---|
| n 阶图 | 顶点数为 n 的图 |
| 有限图 | 顶点数、边数有限的图 |
零图 N_n |
边集为空的 n 阶图 |
| 平凡图 | N_1 |
| 空图 | V=E=∅,有些教材允许单独讨论 |
| 底图/基图 | 有向图去掉方向后得到的无向图 |
本课件里一般把“图”默认成顶点集非空的图;但又会单独提“空图”。遇到定理时要看清条件是不是要求连通、简单、非平凡。
4.2 相邻、关联、环和平行边
| 概念 | 含义 |
|---|---|
| 顶点相邻 | 两个顶点之间有边相连 |
| 边相邻 | 两条边有公共端点 |
| 关联 | 顶点是某条边的端点 |
| 环 | 只与一个顶点关联的边,如 (v,v) |
| 孤立点 | 不与任何边关联的顶点 |
| 平行边 | 端点相同的多条边;有向图要求起点终点都相同 |
简单图:
1 | 既无环,也无平行边的图。 |
对 n 阶无向简单图:
1 | 0 ≤ d(v) ≤ n-1 |
4.3 邻域与度
无向图中,顶点 v 的邻域:
1 | N_G(v)={u∈V(G) | (u,v)∈E(G) 且 u≠v} |
闭邻域:
1 | N_G[v]=N_G(v)∪{v} |
顶点的度:
1 | d_G(v)=与 v 关联的边的次数之和 |
环对无向图顶点的度贡献为 2。这是用握手定理时最容易漏掉的地方。
有向图中:
1 | d_D^+(v)=v 的出度 |
最大度与最小度:
1 | Δ(G)=max{d_G(v)} |
有向图还可定义最大/最小出度、最大/最小入度:
1 | Δ^+(D), δ^+(D), Δ^-(D), δ^-(D) |
5、握手定理与度数列
5.1 无向图握手定理
设无向图 G=<V,E>,顶点为 v_1,v_2,...,v_n,边数为 m,则:
1 | d(v_1)+d(v_2)+...+d(v_n)=2m |
推论:
1 | 任何图中,奇度顶点的个数是偶数。 |
握手定理就是“每条边伸出两只手”。普通边给两个端点各贡献 1,环给同一个端点贡献 2,总贡献始终是 2m。
5.2 有向图握手定理
设有向图 D=<V,E>,边数为 m,则:
1 | sum d^+(v)=m |
5.3 度数列、可图化与可简单图化
度数列:
1 | d=(d(v_1),d(v_2),...,d(v_n)) |
可图化:
1 | 存在某个图 G,使 d 是 G 的度数列。 |
非负整数列 d=(d_1,d_2,...,d_n) 可图化的充要条件:
1 | d_1+d_2+...+d_n 是偶数 |
原因:
- 必要性来自握手定理。
- 充分性可以把奇数度顶点两两连边,剩下偶数度用环补齐。
可简单图化:
1 | 存在某个无向简单图 G,使 d 是 G 的度数列。 |
对无向简单图,至少要满足:
1 | n-1 ≥ d_1 ≥ d_2 ≥ ... ≥ d_n ≥ 0 |
Havel 定理:
1 | d=(d_1,d_2,...,d_n), n-1≥d_1≥d_2≥...≥d_n≥0 |
操作直觉:
1 | 取最大度 d_1 的顶点,把它连向后面 d_1 个最大度顶点; |
Havel 化简每一步都要重新按非增顺序排序;一旦出现负数,或某个数超过剩余顶点数减一,就不可简单图化。
6、图同构、图族与图运算
6.1 图同构
无向图 G_1=<V_1,E_1> 与 G_2=<V_2,E_2> 同构,记作 G_1≅G_2,若存在双射:
1 | f:V_1→V_2 |
满足:
1 | (u,v)∈E_1 ⇔ (f(u),f(v))∈E_2 |
有向图同构类似,只是要保持有向边:
1 | <u,v>∈E_1 ⇔ <f(u),f(v)>∈E_2 |
同构的图具有完全相同的图论性质,例如:
1 | 顶点数、边数、度数列、连通性、是否二部图、是否有圈、连通度等。 |
证明两个图不同构,常用“不变量”找矛盾;证明两个图同构,则必须给出顶点双射并检查邻接关系。
6.2 常见图族
| 图族 | 记号/说明 |
|---|---|
| 完全图 | K_n,任意两个不同顶点相邻 |
| 零图 | N_n,没有边 |
| r 部图 | 顶点可分成 r 个互不相交部分,边只跨不同部分 |
| 二部图 | G=<V_1,V_2;E>,也叫偶图 |
| 完全二部图 | K_{r,s} |
| 路径 | P_n |
| 圈 | C_n |
| 轮 | W_n |
| 超立方体 | Q_n |
| 竞赛图 | 任意两点之间恰有一条有向边 |
6.3 子图、导出子图与补图
子图:
1 | G'⊆G ⇔ V(G')⊆V(G) 且 E(G')⊆E(G) |
生成子图:
1 | G'⊆G 且 V(G')=V(G) |
顶点导出子图:
1 | G[V_1]:保留 V_1 中顶点,以及 G 中两端都在 V_1 内的边 |
边导出子图:
1 | G[E_1]:保留 E_1 中边,以及这些边关联到的顶点 |
补图:
1 | \overline{G}=<V, E(K_n)-E(G)> |
自补图:
1 | G≅\overline{G} |
6.4 图运算
| 运算 | 含义 |
|---|---|
G-e |
删除边 e |
G-v |
删除顶点 v 以及它关联的边 |
G\e |
收缩边 e=(u,v),把 u,v 合并 |
G+(u,v) |
加一条新边 (u,v) |
G_1∪G_2 |
并图 |
G_1∩G_2 |
交图 |
G_1-G_2 |
差图 |
G_1⊕G_2 |
环和,保留只出现一次的边 |
G_1+G_2 |
联图,把两个不交图之间所有跨边都加上 |
G_1×G_2 |
积图 |
7、通路与回路
7.1 通路
通路 walk 是顶点和边的交替序列:
1 | Γ=v_0 e_1 v_1 e_2 ... e_l v_l |
其中每条边 e_r 都连接相邻的两个顶点。
| 概念 | 条件 |
|---|---|
| 起点 | v_0 |
| 终点 | v_l |
| 通路长度 | 边的条数 l |
| 回路 closed walk | v_0=v_l |
| 简单通路 | 没有重复边 |
| 简单回路 | 没有重复边的回路 |
| 初级通路/路径 | 没有重复顶点 |
| 初级回路/圈 | 除起终点相同外,没有重复顶点 |
这里的“简单通路”是不重复边,而“初级通路/路径”才是不重复顶点。很多英文教材会把 path 直接定义成不重复顶点,所以翻译时要看课程定义。
简单图中的通路或回路可以只写顶点序列;非简单图中如果有平行边,顶点序列可能无法唯一确定边。
7.2 周长与围长
对含圈的无向简单图:
1 | c(G)=最长圈的长度,称为周长 |
典型例子:
1 | c(K_n)=n, n≥3 |
7.3 通路压缩定理
定理 7.6:
1 | 在 n 阶图 G 中,若从不同顶点 u 到 v 有通路, |
证明思路:
1 | 若通路长度超过 n-1,则顶点数超过 n,必有重复顶点; |
定理 7.7:
1 | 在 n 阶图 G 中,若从 u 到自身有回路, |
7.4 扩大路径法
极大路径:
1 | 无向简单图中,路径的两个端点都不与路径之外的顶点相邻。 |
扩大路径法:
1 | 只要路径不是极大路径,就从某个端点继续向外扩展; |
典型结论:
1 | 若 G 是 n≥3 阶无向简单图,且 δ(G)≥2, |
证明抓手:
- 取一条极大路径
P=v_0v_1...v_k。 - 端点
v_0的所有邻点都在路径上。 - 因为
d(v_0)≥δ(G),存在足够远的邻点v_i。 v_0v_1...v_iv_0构成长度至少δ(G)+1的圈。
8、连通性
8.1 无向图连通
在无向图 G=<V,E> 中定义:
1 | u~v ⇔ u 与 v 之间有通路 |
规定 u~u。于是 ~ 是等价关系:
| 性质 | 原因 |
|---|---|
| 自反 | 规定 u~u |
| 对称 | 无向通路可以反向走 |
| 传递 | 两段通路可以拼接 |
连通分支:
1 | V/~ 的每个等价类诱导出的子图。 |
连通分支数:
1 | p(G)=|V/~| |
连通图:
1 | p(G)=1 |
非连通图/分离图:
1 | p(G)>1 |
8.2 距离与直径
短程线/测地线:
1 | u,v 之间长度最短的通路。 |
距离:
1 | d_G(u,v)=u,v 之间短程线的长度;若不可达,则为 ∞。 |
直径:
1 | d(G)=max{d_G(u,v) | u,v∈V(G)} |
典型例子:
1 | d(K_n)=1, n≥2 |
距离函数满足:
1 | d(u,v)≥0,且 d(u,v)=0 ⇔ u=v |
8.3 二部图判定
定理 7.8:
1 | G 是二部图 ⇔ G 中无奇圈。 |
证明主线:
- 若
G是二部图,圈必须在两个部分之间交替走,所以长度为偶数。 - 若
G无奇圈,取一个基准点v,按到v的距离奇偶性分成两类:
1 | V_1={u | d(u,v) 为偶数} |
同一类内部不能有边,否则会构造出奇圈。
“二部图 ⇔ 无奇圈”是后面判定树、匹配、图着色时非常常用的结论。
8.4 连通图的边数下界
定理 7.9:
1 | 若无向图 G 连通,顶点数为 n,边数为 m, |
直觉:
1 | n 个顶点至少要用 n-1 条边才能连成一片。 |
等号情形会导向下一章附近的树:
1 | 连通且 m=n-1 的无向简单图是树。 |
8.5 有向图连通性
可达:
1 | u→v ⇔ 从 u 到 v 有有向通路 |
双向可达:
1 | u↔v ⇔ u→v 且 v→u |
有向图连通性的三种强度:
| 概念 | 含义 |
|---|---|
| 弱连通 | 底图连通 |
| 单向连通 | 任意两点之间至少有一个方向可达 |
| 强连通 | 任意两点之间双向可达 |
强连通分支:
1 | 双向可达关系的等价类诱导出的极大强连通子图。 |
两个常用结论:
1 | D 强连通 ⇔ D 中有回路过每个顶点至少一次。 |
9、点连通度与边连通度
9.1 点割集与割点
点割集:
1 | ∅≠V'⊂V(G) |
割点:
1 | v 是割点 ⇔ {v} 是点割集。 |
点连通度:
1 | G 是无向连通非完全图时, |
约定:
1 | κ(K_n)=n-1 |
9.2 边割集与桥
边割集:
1 | ∅≠E'⊂E(G) |
边割集有一个重要性质:
1 | 若 E' 是边割集,则 p(G-E')=p(G)+1。 |
桥/割边:
1 | e 是桥 ⇔ {e} 是边割集。 |
边连通度:
1 | G 是无向连通图时, |
约定:
1 | G 非连通时 λ(G)=0 |
9.3 k 连通与 Whitney 不等式
k 连通:
1 | κ(G)≥k |
k 边连通:
1 | λ(G)≥k |
Whitney 不等式:
1 | κ(G) ≤ λ(G) ≤ δ(G) |
推论:
1 | k 连通图一定是 k 边连通图。 |
反过来不一定成立:k 边连通并不保证 k 连通。边不容易断,不代表删点也不容易断。
9.4 Menger 定理与 2 连通判定
独立路径:
1 | 两条路径除起点和终点外没有其他公共顶点。 |
边不交路径:
1 | 两条路径没有公共边,但可以有公共顶点。 |
Menger 定理:
1 | 最小 x-y 割包含的顶点数 |
2 连通的充要条件:
1 | 3 阶以上无向简单连通图 G 是 2-连通图 |
2 边连通的充要条件:
1 | 3 阶以上无向图 G 是 2-边连通图 |
k 连通的充要条件:
1 | 3 阶以上无向图 G 是 k-连通图 |
k 边连通的充要条件:
1 | 3 阶以上无向图 G 是 k-边连通图 |
9.5 割点、桥与块
割点判定:
1 | 无向连通图 G 中顶点 v 是割点 |
桥判定:
1 | 无向连通图 G 中边 e 是桥 |
块:
1 | 极大无割点连通子图。 |
几个概念的关系:
| 概念 | 判断 |
|---|---|
| 2 连通图 | 连通且无割点,且点连通度至少为 2 |
| 2 边连通图 | 连通且无桥,且边连通度至少为 2 |
| 块 | 极大无割点连通子图 |
K_2 |
是块,但不是 2 连通图,也不是 2 边连通图 |
10、习题与答案
习题 1:用握手定理求最少顶点数
题目:设无向图 G 有 16 条边,有 3 个 4 度顶点、4 个 3 度顶点,其余顶点的度数均小于 3,问 G 中至少有几个顶点?
答案:至少 11 个顶点。
设 G 至少有 n 个顶点,则除已知的 7 个顶点外,其余 n-7 个顶点度数至多为 2。由握手定理:
1 | 2m=32 ≤ 3×4+4×3+2(n-7) |
所以:
1 | 32 ≤ 12+12+2n-14 = 2n+10 |
当其余 4 个顶点都是 2 度顶点时达到下界,因此至少有 11 个顶点。
习题 2:9 阶图中 5 度点与 6 度点数量
题目:设 9 阶无向图 G 中,每个顶点的度数不是 5 就是 6,证明 G 中至少有 5 个 6 度顶点或至少 6 个 5 度顶点。
证明:反证。若不是这样,则:
1 | 6 度顶点至多 4 个 |
但奇度顶点个数必须为偶数,因此 5 度顶点不可能恰好有 5 个,只能至多 4 个。于是顶点总数至多:
1 | 4+4=8 |
这与 G 是 9 阶图矛盾。
习题 3:不存在奇数个奇边面多面体
题目:证明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。
证明:构造一个图 G=<V,E>:
1 | V={多面体的面} |
若存在这样的多面体,则:
1 | 顶点数 |V| 为奇数; |
于是 G 中奇度顶点个数为奇数,违反握手定理推论“奇度顶点个数必为偶数”。故不存在。
习题 5:满足 2n-3=m 的 3 正则图
题目:设 n 阶无向简单图 G 为 3 次图,即 3-正则图,边数 m 与 n 满足:
1 | 2n-3=m |
试问 G 有几种非同构情况?并证明结论。
答案:有 2 种非同构情况。
由 3 正则和握手定理:
1 | 3n=2m |
又有:
1 | m=2n-3 |
联立:
1 | 3n=2(2n-3) |
所以 G 是 6 阶 9 条边的 3 正则简单图。
考虑补图。K_6 有:
1 | C(6,2)=15 |
条边,所以补图有:
1 | 15-9=6 |
条边。原图 3 正则,则补图每个顶点度数为:
1 | 5-3=2 |
即补图是 6 阶 6 条边的 2 正则简单图。
2 正则简单图的每个连通分支都是圈。6 个顶点只能分成:
1 | C_6 |
两种非同构情况。因此原图也只有两种非同构情况,它们分别是上述两种补图的补图。
习题 11:自补图的阶数形式
题目:设无向图 G 是 n 阶自补图,证明:
1 | n=4k 或 n=4k+1 |
其中 k 为正整数。
证明:G 自补,说明:
1 | G≅\overline{G} |
所以 G 与补图边数相同。设 G 的边数为 m,则:
1 | 2m = C(n,2)=n(n-1)/2 |
即:
1 | 4m=n(n-1) |
由于 n 与 n-1 互素,要让乘积被 4 整除,只能有:
1 | n≡0 (mod 4) |
所以:
1 | n=4k 或 n=4k+1 |
习题 14:连通非完全图中存在长度为 2 的非闭三角
题目:设 n≥3 阶无向简单图 G 是连通的,但不是完全图。证明存在 u,v,w∈V(G),使得:
1 | (u,v),(v,w)∈E(G) |
证明:反证。假设对任意 u,v,w∈V(G),只要:
1 | (u,v),(v,w)∈E(G) |
就有:
1 | (u,w)∈E(G) |
任取两个不同顶点 u,w。由连通性,存在从 u 到 w 的通路:
1 | P=u v_1 v_2 ... v_r w |
若通路长度为 1,则 u,w 已相邻。若通路长度大于 1,由假设可把连续两条边“缩短”为一条边:
1 | (u,v_1),(v_1,v_2)∈E(G) ⇒ (u,v_2)∈E(G) |
继续归纳,最终得到:
1 | (u,w)∈E(G) |
因此任意两个不同顶点都相邻,G 是完全图,矛盾。故结论成立。
习题 16:圈长最大公约数只能是 1 或 2
题目:设 G 是无向简单图,δ(G)≥3,证明 G 中各圈长度的最大公约数为 1 或 2。
证明:不妨在某个连通分支中讨论。取一条极大路径:
1 | P=v_0v_1...v_l |
因为 P 极大,端点 v_0 不与路径外顶点相邻。又因为 δ(G)≥3,除 v_1 外,v_0 至少还与路径上两个顶点相邻。设:
1 | v_0 与 v_r、v_s 相邻,其中 1<r<s≤l |
于是得到三个圈:
1 | C_1=v_0v_1...v_rv_0,长度 r+1 |
设所有圈长的最大公约数为 k。那么 k 整除这三个圈长:
1 | k | (r+1) |
由前两式可得:
1 | k | (s-r) |
再结合第三式:
1 | k | [(s-r+2)-(s-r)] = 2 |
所以:
1 | k=1 或 k=2 |
习题 18:最小度推出连通与 k 连通
题目:设 G 是 n 阶无向简单图,证明:
1 | (1) 当 δ(G)≥n/2 时,G 为连通图; |
证明 (1):反证。若 G 不连通,则至少有两个连通分支。取顶点数较少的连通分支 G_1,设:
1 | |V(G_1)|=n_1≤floor(n/2) |
任取 v∈V(G_1),它只能与 G_1 内的顶点相邻,所以:
1 | d_G(v)≤n_1-1≤floor(n/2)-1<n/2 |
这与 δ(G)≥n/2 矛盾。因此 G 连通。
证明 (2):要证 G 是 k 连通,只需证明删除任意 k-1 个顶点后仍连通。
任取:
1 | V'⊆V(G), |V'|=k-1 |
令:
1 | G'=G-V' |
删除 k-1 个顶点后,任一剩余顶点的度最多减少 k-1,所以:
1 | δ(G') ≥ δ(G)-(k-1) |
由 (1) 可知 G' 连通。因此删除任意 k-1 个顶点后图仍连通,G 是 k 连通图。
习题 22:无偶圈图的块
题目:设 n≥2 阶无向简单连通图 G 中不含偶圈,证明 G 的块或为 K_2,或为奇圈。
证明:设 B 是 G 的任意一个块。
若 B 只有两个顶点,则由于 B 连通且极大无割点,它就是 K_2。
若 B 至少有三个顶点,则块没有割点,可视为 2 连通结构。由 2 连通图的性质,B 中任意两点共圈,因此 B 中存在圈。由于 G 中不含偶圈,B 中的圈都只能是奇圈。
下面证明 B 不能比某个奇圈多出额外的边或顶点。设 C 是 B 中一个奇圈。若 B 中还存在不完全属于 C 的路径 P,其两个端点 x,y 在 C 上,内部顶点或边在 C 外,则 C 上从 x 到 y 有两段弧。因为 C 是奇圈,这两段弧长度一奇一偶。
把 P 分别与这两段弧合起来,会得到两个圈;这两个圈的长度奇偶性相反,所以其中必有一个偶圈。这与 G 中不含偶圈矛盾。
因此 B 不能在奇圈外再有额外路径、额外边或额外顶点,只能是这个奇圈本身。故 G 的块或为 K_2,或为奇圈。
习题 25:传递竞赛图不可能强连通
题目:设 D 为竞赛图。若:
1 | <u,v>, <v,w>∈E(D) ⇒ <u,w>∈E(D) |
则称 D 为传递的竞赛图。证明 n≥2 阶传递竞赛图不可能是强连通的。
证明:传递竞赛图不含有向圈。反证,若存在有向圈:
1 | v_1→v_2→...→v_r→v_1 |
由传递性,沿着:
1 | v_1→v_2→...→v_r |
可推出:
1 | v_1→v_r |
但有向圈又给出:
1 | v_r→v_1 |
这与竞赛图中任意两点之间恰有一个方向的边矛盾。
若 D 强连通,任取两个不同顶点 u,v,有从 u 到 v 的通路,也有从 v 到 u 的通路。二者拼接得到一个有向闭通路,而闭通路中必含有有向圈。与上面“传递竞赛图不含有向圈”矛盾。
所以 n≥2 阶传递竞赛图不可能强连通。
11、复盘清单
- 无向图握手定理:
sum d(v)=2m。 - 奇度顶点个数一定是偶数。
- 有向图中:总出度等于总入度,都等于边数。
- 简单图中每个顶点度数不超过
n-1。 - Havel 定理判断可简单图化时,每一步都要排序、减一、检查负数。
- 图同构要保持邻接关系;不同构常用度数列、连通性、圈等不变量排除。
- 简单通路是不重复边;路径/初级通路是不重复顶点。
- 二部图等价于无奇圈。
- 连通图至少有
n-1条边。 κ(G)≤λ(G)≤δ(G)。- 桥不在任何圈上;割点会卡住某两点之间的所有路径。
- 块是极大无割点连通子图,
K_2是一个特殊块。
12、下一步
第七章进入欧拉图与哈密顿图。复习第六章时,先把“度数统计”“通路/回路分类”“连通分支”“割点与桥”四组概念稳住,再看欧拉图时会轻松很多。



