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.
设G和H都是图.
- 如果V(H)⊆V(G)且E(H)⊆E(G),则称H是G的子图.
- 如果上述两个包含关系有至少一个是真包含,那么H是G的真子图.
- 如果V(H)⊆V(G)且E(H)⊆E(G),则称H是G的支撑子图.
- 设V(H)=U⊆V(G).对于u,v∈U,u和v在H中相邻当且仅当u和v在G中相邻,那么显然H是G的子图,我们称这样的子图H是顶点子集U导出的子图,记作H=G[U].
- 设E(H)=S⊆E(G).H的顶点集V(H)={v∈V(G)∣S有边与v关联},那么显然H是G的子图,我们称这样的子图H是边子集S导出的子图,记作H=G[S].
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)中,设U是V的子集,S是E的子集.
- 设H是从G中删除边集S所得到的子图,则记 H=G∖S;
- 设F是从G中删除顶点集U同时删除U中顶点所关联的边而得到的子图,则记 F=G∖U;
- 如果U中只有一个顶点u,那么G∖U也记作 G∖u;
- 如果S中只有一个边e,那么G∖S也记作 G∖e;
- 设G1是G的子图,也记作G1⊆G,从G中删除G1的顶点和边所得到的子图记作 G∖G1;
设G(V,E)是一个图,α:v0e1v1e1…ervr是一个由G中的顶点和边交替出现而构成的序列,其中vi∈V,ei∈E(i≤r).
- 如果序列α中相邻两项相互关联,则称α是G中的一个游走,v0和vr叫做这个游走的端点,r叫做这个游走的长度.
- 如果G是简单图,那么游走α中的边可以省略,从而将α记作 v0v1…vr;
- 如果游走中的边不重复,则称该游走为迹.
- 如果游走中的顶点不重复,则称该游走为路.
- 长度为r的路,叫做 r-路.
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,v1v2v3v5v2v3v4是一条游走但不是迹,v1v2v4v5v2v3是一条迹但不是一条路,v1v2v3v4v5是一条路.
性质1. 设P是一条路,那么P的端点的度为1,其他顶点的度为2.
性质2. 设P是一条路,那么e(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)做归纳来证明.□
设G(V,E)是一个图,α:v0e1v1e1…ervr是一个游走.
- 如果v0和vr是同一个顶点,则称这个游走是一个闭游走.
- 边不重复的闭游走叫做闭迹.
- 除了起点和终点外没有重复顶点的闭游走叫圈.
- 长度为r的圈叫r-圈
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3.
图1所示的图中,v1v2v3v5v2v3v4v1是一个闭游走但不是闭迹,v1v2v4v5v2v3v1是一个闭迹但不是一个圈,v1v2v3v4v5v1是一个圈.
性质3. 设C是一个圈,那么C的每个顶点的度都是2.
性质4. 设C是一个圈,那么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.□
性质5. 设G是一个图且G上每个顶点的度都至少为2.那么G中必有一个子图是圈.
证明. 设P=v1v2…vt是G上最长的一条路.因为d(vt)=2,所以除了vt−1外vt还有一个邻点u,因为P是最长路,所以u是v1,v2,…,vt中的某一个,这样就得到了一个圈. □
设G(V,E)是一个图.
- 如果V(G)=∅并且E(G)=∅,则称G是零图
- 没有边的图叫空图.
- 只有一个顶底没有边的图叫平凡图.
- 零图、空图、平凡图为了叙述方便才定义的.
- 如果G上任意两顶点之间总有一条路相连,则称G是连通图.
- 如果G上没有圈,则称G是森林.
- 连通的森林叫树.
性质6. 非平凡的树上总有一度顶点.
证明. 设T是一个非平凡的树.因为T连通且非平凡,所以没有0度顶点.假设T没有一度顶点,那么T上所有顶点的度至少都是2.由性质 5 知,T有圈,矛盾. □
性质7. 设T是一个树,那么e(T)=v(T)−1.
证明. 设T是一个树.对v(T)做归纳.如果v(T)=1,那么T是平凡图,结论显然成立.假定v(T)≤n−1(n≥1)时结论成立,现在考虑v(T)=n的情况.由性质 6 可知,T有叶子v,记T′=T∖v,显然T′仍然连通且无圈,所以T′仍然是树,但v(T′)<n.由归纳假设知:e(T′)=v(T′)−1=n−1−1=n−2,所以e(T)=e(T′)+1=n−1. □
==性质8. == 非平凡的树上至少有两个叶子.
证明. 设T是一个非平凡的树,v(T)=n.假设T只有一个叶子,那么由握手定理可知2e(T)≥2(n−1)+1=2n−1,所以e(T)≥n−21.因为e(T)是整数,所以e(T)≥n,与性质 7 矛盾.□
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.□
-
图的集合叫做图族.
-
设G是某个图论性质,事实上它等价于一个图族,即所有满足性质G的图的集合,以后我们不区分二者.
-
设G是一个图族,如果G∈G并且G的任何真子图不属于G,那么就称G是图族G中的极大图;如果G∈G并且任何以G为真子图的图都不属于G,那么就称G是G中的极大图.
-
图G的极大连通子图叫做G的连通分支.
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. 设T是一个n阶图,任取一个n阶图G使得T是G的真子图,那么V(T)=V(G)=V,E(T)⊂E(G).那么存在顶点u,v∈V,使得uv∈E(G)但uv∈E(T).由性质9可知,u,v之间在T上有唯一的路P,显然,在G上P和uv构成圈,所以G含有圈.因此T是n阶图中的极大无圈图.□
性质11. 树是在所有同阶图中的极小连通图.
证明. 设T是一个n阶图,任取T的一个n阶的真子图G,那么V(T)=V(G)=V,E(G)⊂E(T).那么存在顶点u,v∈V,使得uv∈E(T)但uv∈E(G).由性质9可知,u,v之间在T上有唯一的路P,显然,P=uv.由于P在T上的唯一性,所以G上不含有连接u,v的路,所以G不连通.因此T是n阶图中的极小连通图.□
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