Alex_McAvoy

想要成为渔夫的猎手

图的基本概念

【图】

图(Graph)是由顶点的有穷非空集合和顶点之间边的集合组成,通常表示为:$G=(V,E)$,其中 $V$ 是非空有限集合,代表顶点,$E$ 是可以为空的有限集合,代表边

若顶点 $v_i$ 和 $ v_j$ 间的边没有方向,则称这条边为无向边,用无序偶对 $(v_i,v_j)$ 表示;若顶点 $v_i$ 和 $v_j$ 间的边有方向,则称这条边为有向边(弧),用有序偶对 $< v_i,v_j >$ 表示,其中 $v_i$ 称为弧头,$v_j$ 称为弧尾

在一个无向图中,对于任意两个顶点 $v_i$ 和顶点 $v_j$,若存在边 $(v_i,v_j)$,则称顶点 $v_i$ 和顶点 $v_j$ 互为邻接点,同时称边 $(v_i,v_j)$ 依附于顶点 $v_i$ 和顶点 $v_j$

在一个有向图中,对于任意两个顶点 $v_i$ 和顶点 $v_j$,若存在弧 $< v_i,v_j >$,则称顶点 $v_i$ 邻接到顶点 $v_j$,顶点 $v_j$ 邻接自顶点 $v_i$,同时称弧 $< v_i,v_j >$ 依附于顶点 $v_i$ 和顶点 $v_j$

若图的任意两个顶点之间的边都是无向边,则称该图为无向图;若图的任意两个顶点之间的边都是有向边,则称该图为有向图

【基本术语】

  • 无向图中,依附于顶点 $v$ 的边数称为顶点的度,记为 $TD(v)$,在 $n$ 个顶点 $m$ 条边的无向图中,所有点的度的和为 $2m$,且有:$TD(v)=ID(v)+OD(v)$
  • 有向图中,以顶点 $v$ 为弧头的弧的数目称为顶点的入度,记为 $ID(v)$,在 $n$ 个顶点 $m$ 条边的有向图中,所有点的入度和为 $m$
  • 有向图中,以顶点 $v$ 为弧尾的弧的数目称为顶点的出度,记为 $OD(v)$,在 $n$ 个顶点 $m$ 条边的有向图中,所有点的出度和为 $m$

路径与回路

  • 在无向图 $G=(V,E)$ 中,对于一个满足 $(v_{ij-1},v_{ij})\in E(1\leq j\leq m)$的顶点序列 ${v_p=v_{i_0},v_{i_1},v_{i_2},…, v_{i_m}=v_q}$称为从顶点 $v_p$ 到顶点 $v_q$ 之间的路径,若 $G$ 是有向图,则 $G$ 的路径是有方向的
  • 在路径序列中,起点和终点相同的路径称为回路(环)
  • 在路径序列中,顶点不重复出现的路径称为简单路径
  • 在路径序列中,除起点终点外,其余顶点不重复出现的回路称为简单回路
  • 对于一个非带权图,路径上边的个数称为路径长度,对于一个带权图,路径上各边权的和称为路径长度

连通性

  • 对于图 $G=(V,E)$ 和 $G’=(V’,E’)$,若 $V’\subseteq V,E’\subseteq E$,则称 $G’$ 为 $G$ 的子图,一个图可以有多个子图
  • 无向图中,如果从一个顶点 $v_i$ 到另一个顶点 $v_j(i≠j)$ 有路径,则称顶点 $v_i$ 和 $v_j$ 是连通的,如果图中任意两个顶点都是连通的,则称该图是连通图
  • 对于无向图来说,非连通图的极大连通子图称为连通分量,其中,极大是指包括所有连通的顶点及这些顶点相关联的所有边
  • 有向图中,对图中任意一对顶点 $v_i$ 和 $v_j(i≠j)$,若从顶点 $v_i$ 到顶点 $v_j$ 和从顶点 $v_j$ 到顶点 $v_i$ 均有路径,则称该有向图是强连通图
  • 对于有向图来说,非强连通图的极大强连通子图称为强连通分量,其中,极大是指包括所有连通的顶点及这些顶点相关联的所有边
  • 对于一个具有 $n$ 个顶点的连通图 $G$ ,包含 $G$ 中全部顶点的一个极小连通子图称为生成树,其中,极小是指子图中只有一个入度为 $0$ 的点且其他点的入度均为 $1$,一个连通图的生成树可以有多个
  • 在非连通图中,由每个连通分量都可以得到一棵生成树,这些连通分量的生成树就组成了一个非连通图的生成森林

对于 $n$ 个点的无向图 $G(V,E)$ 来说,要保证在任何情况下都是连通的,在最极端的情况下,$n-1$ 个顶点构成一个完全无向图,剩下一个点再加一条边后必然与该图构成一个连通图,即最少需要的边数为:

对于 $m$ 条边的非连通无向图 $G(V,E)$ 来说,最极端的情况下,由 $n$ 个顶点构成的完全图与一个独立的顶点构成,假设最少要 $n$ 个点,那么边数 $m$ 满足:

【特殊形态的图】

  • 在一个图中,不存在顶点到其自身的边,且同一条边不重复,则称图为简单图
  • 在一个无向图中,如果任意两个顶点之间都存在边,则称该图为无向完全图,其有 $\frac{n*(n-1)}{2}$ 条边
  • 在一个有向图中,如果任意两个顶点之间都存在方向相反的两条弧,则称该图为有向完全图,其有 $n*(n-1)$ 条边。
  • 一个边数接近完全图的图称为稠密图,一个边数远远少于完全图的图称为稀疏图
  • 对边赋予的有意义的数值量称为权(权值),边上带权的图,称为网(带权图),根据图是无向图或有向图,分为有向网图无向网图
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