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没啥好听的,我全都会,放一个前几天写的格式库。Raisetsu41/Latex-Notes-Template: Latex-Notes-Template。

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我记得我是 numpy & pandas 用户来着

图论

Ref: 只发了后半部分讲义。

第一次听数学系的讲图论。我第一次听图论课应该是 2020-07-08,「Note」图论学习笔记1 | Raisetsu41’s Blog(Too young too simple, sometimes naive)。

图

图 (graph) 是一个二元组 .其中 是非空集,称为 点集 (vertex set),对于 中的每个元素,我们称其为 顶点 (vertex) 或 节点 (node),简称 点; 为 各结点之间边的集合,称为 边集 (edge set).

常用 表示图.

当 都是有限集合时,称 为 有限图.

当 或 是无限集合时,称 为 无限图.

图有多种,包括 无向图 (undirected graph),有向图 (directed graph),混合图 (mixed graph) 等.

若 为无向图,则 中的每个元素为一个无序二元组 ,称作 无向边 (undirected edge),简称 边 (edge),其中 .设 ,则 和 称为 的 端点 (endpoint).

若 为有向图,则 中的每一个元素为一个有序二元组 ,有时也写作 ,称作 有向边 (directed edge) 或 弧 (arc),在不引起混淆的情况下也可以称作 边 (edge).设 ,则此时 称为 的 起点 (tail), 称为 的 终点 (head),起点和终点也称为 的 端点 (endpoint).并称 是 的直接前驱, 是 的直接后继.

若 为混合图,则 中既有 有向边,又有 无向边.

若 的每条边 都被赋予一个数作为该边的 权,则称 为 赋权图.如果这些权都是正实数,就称 为 正权图.

图 的点数 也被称作图 的 阶 (order).

形象地说,图是由若干点以及连接点与点的边构成的.

相邻

在无向图 中,若点 是边 的一个端点,则称 和 是 关联的 (incident) 或 相邻的 (adjacent).对于两顶点 和 ,若存在边 ,则称 和 是 相邻的 (adjacent).

一个顶点 的 邻域 (neighborhood) 是所有与之相邻的顶点所构成的集合,记作 .

一个点集 的邻域是所有与 中至少一个点相邻的点所构成的集合,记作 ,即:

简单图

自环 (loop):对 中的边 ,若 ,则 被称作一个自环.

重边 (multiple edge):若 中存在两个完全相同的元素(边),则它们被称作(一组)重边.

简单图 (simple graph):若一个图中没有自环和重边,它被称为简单图.具有至少两个顶点的简单无向图中一定存在度相同的结点.

如果一张图中有自环或重边,则称它为 多重图 (multigraph).

度数

与一个顶点 关联的边的条数称作该顶点的 度 (degree),记作 .特别地,对于边 ,则每条这样的边要对 产生 的贡献.

对于无向简单图,有 .

握手定理(又称图论基本定理):对于任何无向图 ,有 .

推论:在任意图中,度数为奇数的点必然有偶数个.

若 ,则称 为 孤立点 (isolated vertex).

若 ,则称 为 叶节点 (leaf vertex)/悬挂点 (pendant vertex).

若 ,则称 为 偶点 (even vertex).

若 ,则称 为 奇点 (odd vertex).图中奇点的个数是偶数.

若 ,则称 为 支配点 (universal vertex).

对一张图,所有节点的度数的最小值称为 的 最小度 (minimum degree),记作 ;最大值称为 最大度 (maximum degree),记作 .即:,.

在有向图 中,以一个顶点 为起点的边的条数称为该顶点的 出度 (out-degree),记作 .以一个顶点 为终点的边的条数称为该节点的 入度 (in-degree),记作 .显然 .

对于任何有向图 ,有:

若对一张无向图 ,每个顶点的度数都是一个固定的常数 ,则称 为 - 正则图 (-regular graph).

如果给定一个序列 a,可以找到一个图 G,以其为度数列,则称 a 是 可图化 的.

如果给定一个序列 a,可以找到一个简单图 G,以其为度数列,则称 a 是 可简单图化 的.

路径

途径 (walk):途径是连接一连串顶点的边的序列,可以为有限或无限长度.形式化地说,一条有限途径 是一个边的序列 ,使得存在一个顶点序列 满足 ,其中 .这样的途径可以简写为 .通常来说,边的数量 被称作这条途径的 长度(如果边是带权的,长度通常指途径上的边权之和,题目中也可能另有定义).

迹 (trail):对于一条途径 ,若 两两互不相同,则称 是一条迹.

路径 (path)(又称 简单路径 (simple path)):对于一条迹 ,若其连接的点的序列中点两两不同,则称 是一条路径.

回路 (circuit):对于一条迹 ,若 ,则称 是一条回路.

环/圈 (cycle)(又称 简单回路/简单环 (simple circuit)):对于一条回路 ,若 是点序列中唯一重复出现的点对,则称 是一个环.

子图

对一张图 ,若存在另一张图 满足 且 ,则称 是 的 子图 (subgraph),记作 .

若对 ,满足 ,只要 ,均有 ,则称 是 的 导出子图/诱导子图 (induced subgraph).

容易发现,一个图的导出子图仅由子图的点集决定,因此点集为 () 的导出子图称为 导出的子图,记作 .

若 满足 ,则称 为 的 生成子图/支撑子图 (spanning subgraph).

显然, 是自身的子图,支撑子图,导出子图;无边图 是 的支撑子图.原图 和无边图都是 的平凡子图.

如果一张无向图 的某个生成子图 为 - 正则图,则称 为 的一个 - 因子 (-factor).

如果有向图 的导出子图 满足 ,有 ,则称 为 的一个 闭合子图 (closed subgraph).

连通

无向图

对于一张无向图 ,对于 ,若存在一条途径使得 ,则称 和 是 连通的 (connected).由定义,任意一个顶点和自身连通,任意一条边的两个端点连通.

若无向图 ,满足其中任意两个顶点均连通,则称 是 连通图 (connected graph), 的这一性质称作 连通性 (connectivity).

若 是 的一个连通子图,且不存在 满足 且 为连通图,则 是 的一个 连通块/连通分量 (connected component)(极大连通子图).

有向图

对于一张有向图 ,对于 ,若存在一条途径使得 ,则称 可达 .由定义,任意一个顶点可达自身,任意一条边的起点可达终点.(无向图中的连通也可以视作双向可达.)

若一张有向图的节点两两互相可达,则称这张图是 强连通的 (strongly connected).

若一张有向图的边替换为无向边后可以得到一张连通图,则称原来这张有向图是 弱连通的 (weakly connected).

与连通分量类似,也有 弱连通分量 (weakly connected component)(极大弱连通子图)和 强连通分量 (strongly connected component)(极大强连通子图).

割

在本部分中,有向图的「连通」一般指「强连通」.

对于连通图 ,若 且 (即从 中删去 中的点)不是连通图,则 是图 的一个 点割集 (vertex cut/separating set).大小为一的点割集又被称作 割点 (cut vertex).

对于连通图 和整数 ,若 且 不存在大小为 的点割集,则称图 是 - 点连通的 (-vertex-connected),而使得上式成立的最大的 被称作图 的 点连通度 (vertex connectivity),记作 .(对于非完全图,点连通度即为最小点割集的大小,而完全图 的点连通度为 .)

对于图 以及 满足 , 和 不相邻, 可达 ,若 ,,且在 中 和 不连通,则 被称作 到 的点割集. 到 的最小点割集的大小被称作 到 的 局部点连通度 (local connectivity),记作 .

还可以在边上作类似的定义:

对于连通图 ,若 且 (即从 中删去 中的边)不是连通图,则 是图 的一个 边割集 (edge cut).大小为一的边割集又被称作 桥 (bridge).

对于连通图 和整数 ,若 不存在大小为 的边割集,则称图 是 - 边连通的 (-edge-connected),而使得上式成立的最大的 被称作图 的 边连通度 (edge connectivity),记作 .(对于任何图,边连通度即为最小边割集的大小.)

对于图 以及 满足 , 可达 ,若 ,且在 中 和 不连通,则 被称作 到 的边割集. 到 的最小边割集的大小被称作 到 的 局部边连通度 (local edge-connectivity),记作 .

点双连通 (biconnected) 几乎与 - 点连通完全一致,除了一条边连接两个点构成的图,它是点双连通的,但不是 - 点连通的.换句话说,没有割点的连通图是点双连通的.

边双连通 (-edge-connected) 与 - 边双连通完全一致.换句话说,没有桥的连通图是边双连通的.

与连通分量类似,也有 点双连通分量 (biconnected component)(极大点双连通子图)和 边双连通分量 (-edge-connected component)(极大边双连通子图).

Whitney 定理:对任意的图 ,有 .(不等式中的三项分别为点连通度、边连通度、最小度.)

稀疏图/稠密图

若一张图的边数远小于其点数的平方,那么它是一张 稀疏图 (sparse graph).

若一张图的边数接近其点数的平方,那么它是一张 稠密图 (dense graph).

这两个概念并没有严格的定义,一般用于讨论为 的算法与 的算法的效率差异(在稠密图上这两种算法效率相当,而在稀疏图上 的算法效率明显更高).

补图

对于无向简单图 ,它的 补图 (complement graph) 指的是这样的一张图:记作 ,满足 ,且对任意节点对 , 当且仅当 .

反图

对于有向图 ,它的 反图 (transpose graph) 指的是点集不变,每条边反向得到的图,即:若 的反图为 ,则 .

特殊的图

若无向简单图 满足任意不同两点间均有边,则称 为 完全图 (complete graph), 阶完全图记作 .若有向图 满足任意不同两点间都有两条方向不同的边,则称 为 有向完全图 (complete digraph).

边集为空的图称为 无边图 (edgeless graph)、空图 (empty graph) 或 零图 (null graph), 阶无边图记作 或 . 与 互为补图.

若有向简单图 满足任意不同两点间都有恰好一条边(单向),则称 为 竞赛图 (tournament graph).

若无向简单图 的所有边恰好构成一个圈,则称 为 环图/圈图 (cycle graph),() 阶圈图记作 .易知,一张图为圈图的充分必要条件是,它是 - 正则连通图.

若无向简单图 满足,存在一个点 为支配点,其余点之间没有边相连,则称 为 星图/菊花图 (star graph),() 阶星图记作 .

若无向简单图 满足,存在一个点 为支配点,其它点之间构成一个圈,则称 为 轮图 (wheel graph),() 阶轮图记作 .

若无向简单图 的所有边恰好构成一条简单路径,则称 为 链 (chain/path graph), 阶的链记作 .易知,一条链由一个圈图删去一条边而得.

如果一张无向连通图不含环,则称它是一棵 树 (tree). 多棵树可以组成一个 森林 (forest)。

如果一张无向连通图的每条边最多在一个环内,则称它是一棵 仙人掌 (cactus).多棵仙人掌可以组成 沙漠.

如果一张图的点集可以被分为两部分,每一部分的内部都没有连边,那么这张图是一张 二分图 (bipartite graph).如果二分图中任何两个不在同一部分的点之间都有连边,那么这张图是一张 完全二分图 (complete bipartite graph/biclique),一张两部分分别有 个点和 个点的完全二分图记作 .

如果一张图可以画在一个平面上,且没有两条边在非端点处相交,那么这张图是一张 平面图 (planar graph).对于简单连通平面图 且 ,.
Kuratowski 定理:一张图是平面图当且仅当其不存在与 或 同胚 (homeomorphism) 的子图.其中图 和图 同胚指的是两图均可通过在边上新增若干度为 的顶点[

同构

两个图 和 ,如果存在一个双射 ,且满足 ,当且仅当 ,则我们称 为 到 的一个 同构 (isomorphism),且图 与图 是 同构的 (isomorphic),记作 .

从定义可知,若 ,必须满足:

  • 和 结点度的非增序列相同
  • 和 存在同构的导出子图

无向简单图的二元运算

对于无向简单图,我们可以定义如下二元运算:

交 (intersection):图 的交定义成图 .

容易证明两个无向简单图的交还是无向简单图.

并 (union):图 的并定义成图 .

和 (sum)/直和 (direct sum):对于 ,任意构造 使得 ( 可以等于 ).此时与 同构的任何图称为 和 的和/直和/不交并,记作 或 .

若 与 的点集本身不相交,则 .

比如,森林可以定义成若干棵树的和.

特殊的点集/边集

支配集

对于无向图 ,若 且 存在边 满足 ,则 是图 的一个 支配集 (dominating set).

无向图 最小的支配集的大小记作 .求一张图的最小支配集是NP 困难

对于有向图 ,若 且 存在边 满足 ,则 是图 的一个 出 - 支配集 (out-dominating set).类似地,可以定义有向图的 入 - 支配集 (in-dominating set).

有向图 最小的出 - 支配集大小记作 ,最小的入 - 支配集大小记作 .

边支配集

对于图 ,若 且 存在 中的边与其有公共点,则称 是图 的一个 边支配集 (edge dominating set).

求一张图的最小边支配集是 NP 困难 的.

独立集

对于图 ,若 且 中任意两点都不相邻,则 是图 的一个 独立集 (independent set).

图 最大的独立集的大小记作 .求一张图的最大独立集是 NP 困难 的.

匹配

对于图 ,若 且 中任意两条不同的边都没有公共的端点,且 中任意一条边都不是自环,则 是图 的一个 匹配 (matching),也可以叫作 边独立集 (independent edge set).如果一个点是匹配中某条边的一个端点,则称这个点是 被匹配的 (matched)/饱和的 (saturated),否则称这个点是 不被匹配的 (unmatched).

边数最多的匹配被称作一张图的 最大匹配 (maximum-cardinality matching).图 的最大匹配的大小记作 .

如果边带权,那么权重之和最大的匹配被称作一张图的 最大权匹配 (maximum-weight matching).

如果一个匹配在加入任何一条边后都不再是一个匹配,那么这个匹配是一个 极大匹配 (maximal matching).最大的极大匹配就是最大匹配,任何最大匹配都是极大匹配.极大匹配一定是边支配集,但边支配集不一定是匹配.最小极大匹配和最小边支配集大小相等,但最小边支配集不一定是匹配.求最小极大匹配是 NP 困难的.

如果在一个匹配中所有点都是被匹配的,那么这个匹配是一个 完美匹配 (perfect matching).如果在一个匹配中只有一个点不被匹配,那么这个匹配是一个 准完美匹配 (near-perfect matching).

求一张普通图或二分图的匹配或完美匹配个数都是 NP 完全的.

对于一个匹配 ,若一条路径以非匹配点为起点,每相邻两条边的其中一条在匹配中而另一条不在匹配中,则这条路径被称作一条 交替路径 (alternating path);一条在非匹配点终止的交替路径,被称作一条 增广路径 (augmenting path).

托特定理: 阶无向图 有完美匹配当且仅当对于任意的 ,,其中 表示奇数阶连通分支数.

托特定理(推论):任何无桥 3 - 正则图都有完美匹配.

点覆盖

对于图 ,若 且 满足 的至少一个端点在 中,则称 是图 的一个 点覆盖 (vertex cover).

点覆盖集必为支配集,但极小点覆盖集不一定是极小支配集.

一个点集是点覆盖的充要条件是其补集是独立集,因此最小点覆盖的补集是最大独立集.求一张图的最小点覆盖是 NP 困难 的.

一张图的任何一个匹配的大小都不超过其任何一个点覆盖的大小.完全二分图 的最大匹配和最小点覆盖大小都为 .

边覆盖

对于图 ,若 且 满足 与 中的至少一条边相邻,则称 是图 的一个 边覆盖 (edge cover).

最小边覆盖的大小记作 ,可以由最大匹配贪心扩展求得:对于所有非匹配点,将其一条邻边加入最大匹配中,即得到了一个最小边覆盖.

最大匹配也可以由最小边覆盖求得:对于最小边覆盖中每对有公共点的边删去其中一条.

一张图的最小边覆盖的大小加上最大匹配的大小等于图的点数,即 .

一张图的最大匹配的大小不超过最小边覆盖的大小,即 .特别地,完美匹配一定是一个最小边覆盖,这也是上式取到等号的唯一情况.

一张图的任何一个独立集的大小都不超过其任何一个边覆盖的大小.完全二分图 的最大独立集和最小边覆盖大小都为 .