【图论笔记】图论基础(2):子图、路、圈和树

图是顶点集和边集的有序二元组,而对顶点集或边集取其子集就会得到子图


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1. 子图的定义

GGHH都是图.

子图还可以通过在图上删除一些顶点和边得到.

在图G(V,E)G(V,E)中,设UUVV的子集,SSEE的子集.


2. 游走、迹和路

G(V,E)G(V,E)是一个图,α:v0e1v1e1ervr\alpha:v_0e_1v_1e_1\dots e_rv_r是一个由GG中的顶点和边交替出现而构成的序列,其中viVv_i\in VeiEe_i\in Eiri\le r).

路没有重复边,所以路一定是迹,迹不一定是路

graph LR; v1((v1))---v2((v2)) v2---v3((v3)) v3---v4((v4)) v4---v5((v5)) v5---v1 v1---v3 v2---v4 v3---v5 v4---v1 v5---v2

图1

图1所示的图中,v1v2v3v5v2v3v4v_1v_2v_3v_5v_2v_3v_4是一条游走但不是迹,v1v2v4v5v2v3v_1v_2v_4v_5v_2v_3是一条迹但不是一条路,v1v2v3v4v5v_1v_2v_3v_4v_5是一条路.

性质1.PP是一条路,那么PP的端点的度为11,其他顶点的度为22

性质2.PP是一条路,那么e(P)=v(P)1e(P)=v(P)-1

证明. 因为在路上删除端点会得到一条更短的路,所以可以对v(P)v(P)做归纳来证明.\Box

3. 闭游走、闭迹和圈

G(V,E)G(V,E)是一个图,α:v0e1v1e1ervr\alpha:v_0e_1v_1e_1\dots e_rv_r是一个游走.

圈没有重复边,所以圈是闭迹,但闭迹不一定是圈

长度为1的圈是之前定义过的环,长度为2的圈是之前定义过的一对平行边,所以简单图上的圈的长度至少为33

图1所示的图中,v1v2v3v5v2v3v4v1v_1v_2v_3v_5v_2v_3v_4v_1是一个闭游走但不是闭迹,v1v2v4v5v2v3v1v_1v_2v_4v_5v_2v_3v_1是一个闭迹但不是一个圈,v1v2v3v4v5v1v_1v_2v_3v_4v_5v_1是一个圈.

性质3.CC是一个圈,那么CC的每个顶点的度都是22

性质4.CC是一个圈,那么e(C)=v(C)e(C)=v(C)

证明. 因为在圈上删除一条边会得到一条路,所以由性质 2 可知性质 4 成立.\Box

性质5.GG是一个图且GG上每个顶点的度都至少为22.那么GG中必有一个子图是圈.

证明.P=v1v2vtP=v_1v_2\dots v_tGG上最长的一条路.因为d(vt)=2d(v_t)=2,所以除了vt1v_{t-1}vtv_t还有一个邻点uu,因为PP是最长路,所以uuv1,v2,,vtv_1,v_2,\dots,v_t中的某一个,这样就得到了一个圈. \Box


4. 连通图和树

G(V,E)G(V,E)是一个图.

性质6. 非平凡的树上总有一度顶点.

证明.TT是一个非平凡的树.因为TT连通且非平凡,所以没有00度顶点.假设TT没有一度顶点,那么TT上所有顶点的度至少都是22.由性质 5 知,TT有圈,矛盾. \Box

性质7.TT是一个树,那么e(T)=v(T)1e(T)=v(T)-1

证明.TT是一个树.对v(T)v(T)做归纳.如果v(T)=1v(T)=1,那么TT是平凡图,结论显然成立.假定v(T)n1v(T)\le n-1n1n\ge1)时结论成立,现在考虑v(T)=nv(T)=n的情况.由性质 6 可知,TT有叶子vv,记T=TvT'=T\setminus v,显然TT'仍然连通且无圈,所以TT'仍然是树,但v(T)<nv(T')<n.由归纳假设知:e(T)=v(T)1=n11=n2e(T')=v(T')-1=n-1-1=n-2,所以e(T)=e(T)+1=n1e(T)=e(T')+1=n-1\Box

==性质8. == 非平凡的树上至少有两个叶子.

证明.TT是一个非平凡的树,v(T)=nv(T)=n.假设TT只有一个叶子,那么由握手定理可知2e(T)2(n1)+1=2n12e(T)\ge 2(n-1)+1=2n-1,所以e(T)n12e(T)\ge n-\frac{1}{2}.因为e(T)e(T)是整数,所以e(T)ne(T)\ge n,与性质 7 矛盾.\Box

性质9. 树上任意两点之间有唯一一条路.

证明. 因为树连通,所以树上任意两顶点之间有路.假设某对顶点之间有两条路,那么这两路构成闭游走,又因为这两条路不重合,所以这个闭游走内必然含有圈,矛盾.\Box


5. 极大图和极小图

注意:极大不一定是最大,极小不一定是最小!

性质10. 树是在所有同阶图中的极大无圈图.

证明.TT是一个nn阶图,任取一个nn阶图GG使得TTGG的真子图,那么V(T)=V(G)=VV(T)=V(G)=VE(T)E(G)E(T)\subset E(G).那么存在顶点u,vVu,v\in V,使得uvE(G)uv\in E(G)uv∉E(T)uv\not\in E(T).由性质9可知,u,vu,v之间在TT上有唯一的路PP,显然,在GGPPuvuv构成圈,所以GG含有圈.因此TTnn阶图中的极大无圈图.\Box

性质11. 树是在所有同阶图中的极小连通图.

证明.TT是一个nn阶图,任取TT的一个nn阶的真子图GG,那么V(T)=V(G)=VV(T)=V(G)=VE(G)E(T)E(G)\subset E(T).那么存在顶点u,vVu,v\in V,使得uvE(T)uv\in E(T)uv∉E(G)uv\not\in E(G).由性质9可知,u,vu,v之间在TT上有唯一的路PP,显然,P=uvP=uv.由于PPTT上的唯一性,所以GG上不含有连接u,vu,v的路,所以GG不连通.因此TTnn阶图中的极小连通图.\Box


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