【图论笔记】图论基础(3):二部图和完全图


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1. 二部图

SS是一个集合,S1,S2,,StS_1,S_2,\dots,S_tSS的子集.如果
1. S1,S2,,StS_1,S_2,\dots,S_t都不是空集;
2. S=S1S2StS=S_1\cup S_2\cup \dots S_t
则称S1,S2,,StS_1,S_2,\dots,S_tSS的一个划分

GG是一个图.如果V(G)V(G)可以划分为两个集合XXYY,使得对每一个边总有一个端点落入XX,一个端点落入YY,那么我们就说图GG是一个二部图,记作G[X,Y]G[X,Y],并且称划分X,YX,YGG的一个二部划分XXYY是它的两个分部

性质1. 偶圈和路是二部图,奇圈不是二部图.

证明. (1)设P=v1v2vnP=v_1v_2\dots v_n是一条路.令所有与v1v_1的距离为偶数的顶点构成集合XX,所有与v1v_1的距离为偶数的顶点构成集合YY.那么X,YX,Y显然是V(P)V(P)的一个划分,而且X={v2,v4,}X=\{v_2,v_4,\dots\}Y={v1,v3,}Y=\{v_1,v_3,\dots\},这显然是一个二部划分.

(2)设C=v1v2v2kC=v_1v_2\dots v_{2k}是一个偶圈.设P=Gv2kv1P=G\setminus v_{2k}v_1,显然PP是一条路.按(1)的方法可以将V(P)V(P)划分为X,YX,Y使得X,YX,YPP的一个二部划分.按照(1)的方法,X={v2,v4,,x2k}X=\{v_2,v_4,\dots,x_{2k}\}Y={v1,v3,,v2k1}Y=\{v_1,v_3,\dots,v_{2k-1}\}.再将边v2kv1v_{2k}v_1加回来,容易看出X,YX,Y也是CC的一个二部划分.

(3)设C=v1v2v2k+1C=v_1v_2\dots v_{2k+1}是一个奇圈.假设CC有二部划分X,YX,Y.不妨设v1Yv_1\in Y,那么显然在CC上与v1v_1的距离为偶数的顶点都落在YY中,所有与v1v_1距离为奇数的顶点都落在XX中.注意:vkv_kvk+1v_{k+1}v1v_1的距离都是kkv1v_1vkv_k的最短路是v1v2vkv_1v_2\dots v_kv1v_1vk+1v_{k+1}的最短路是v1v2k+1v2kvk+1v_1v_{2k+1}v_{2k}\dots v_{k+1}),所以vkv_kvk+1v_{k+1}要么同时落入XX要么同时落入YY,但vkvk+1E(C)v_kv_{k+1}\in E(C),矛盾. \Box

性质2.GG是二部图当且仅当GG没有奇圈.

证明. ()(\Rightarrow)GG是二部图.假设GG有奇圈,那么由性质1可得GG不是二部图,矛盾.
()(\Leftarrow) 不妨设GG是连通图(否则取其连通分支),且非平凡.设GG没有奇圈.任取yV(G)y\in V(G),设GG中所有与yy距离为偶数的顶点构成的集合为YY,所有与yy距离为奇数的顶点构成的集合为XX.显然X,YX,YV(G)V(G)的一个划分.以下只需证明:XX中任意两顶点不连边,YY中任意两顶点也不连边.

任取XX中两个顶点x1,x2x_1,x_2,那么x1x_1yy之间存在长度为奇数的路P1P_1x2x_2yy之间也存在长度为奇数的路P2P_2.假设x1x2E(G)x_1x_2\in E(G),那么P1P_1P2P_2和边x1x2x_1x_2构成一个奇数长的闭游走,奇数长的闭游走必然包含奇圈,矛盾.所以XX中任意两顶点不连边,同理YY中任意两顶点不连边.\Box

推论3. 森林是二部图.\Box


2. 完全图

性质4. e(Kn)=(n2)=n(n1)2.e(K_n)=\binom{n}{2}=\frac{n(n-1)}{2}.

注意:任何nn阶简单图都可以看作是KnK_n的子图.


3. 完全二部图

G[X,Y]G[X,Y]是一个简单的二部图.如果对于任意xXx\in X和任意yYy\in Yx,yx,y总是相邻的,则称G[X,Y]G[X,Y]完全二部图;特别地,如果X=m, Y=n|X|=m,~|Y|=n,那么这个完全二部图记作Km,nK_{m,n}

性质5. e(Km,n)=mn.e(K_{m,n})=mn.