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24 图论模型

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图的基本概念

图

图是一个有序二元组 \(G=(V,E)\)，其中 \(V\) 是顶点（vertex）集合，\(E\) 是边（edge）的集合。\(E\) 中每条边 \(e\) 与 \(V\) 中两个顶点关联（incident）。

  • 若与边关联的两个顶点有序，则称图为有向图（digraph），否则称为无向图

度：无向图 \(G\) 中与顶点 \(v\) 关联的边的数目称为 \(v\) 的度，记为 \(d(v)\)(\(deg_G(v)\))

  • 图的所有顶点的度的最大值与最小值分别称为最大度和最小度， 记为 \(\Delta(G)\) 和 \(\delta(G)\)
  • （握手定理）所有顶点的度之和等于边数的两倍，即 \(\sum_{v\in V}d(v)=2|E|\)

简单图

两端点相同的边称为环（loop），两端点分别相同的多条边称为平行边（parallel edges）

既没有环，也没有平行边的图称为简单图（simple graph）。不是简单图的图称为多重图（multigraph）

完全图

任何两个不同顶点之间都有边相连的简单图称为完全图（complete graph）

  • \(n\) 个顶点的完全图记为 \(K_n\)， \(K_n\)的边数为 \(\frac{n(n-1)}{2}\)
简单图的顶点数与边数
  • 若 \(G=(V,E)\) 为简单图，则边数的上界为 \(\frac{|V|(|V|-1)}{2}\)，下界为 \(|V|-1\)
  • 边数接近上界的称为稠密图（dense graph），边数远离上界的称为稀疏图（sparse graph）

二部图与连通

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子图

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路

顶点和边交替出现的序列 \(v_{i_0}e_{i_1}v_{i_1}e_{i_2}\cdots e_{i_k}v_{i_k}\)，且序列中与每条边相邻的两个顶点为该边的两个端点，称为连接顶点 \(v_{i_0}\) 和 \(v_{i_k}\) 的途径（walk）

  • 若图为简单图，可省略途径中边的符号

经过边互不相同的途径称为迹（trail）

  • 起点和终点相同的迹称为闭迹

经过顶点互不相同的途径称为路（path）

  • 起点和终点相同，其余顶点互不相同，也不与起点和终点相同的途径称为圈（cycle）
路的长度
  • 边赋权图中一条路所含边的权之和称为它的长度

树

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最小生成树

最小生成树（MST）是赋权图所有生成树中总权和最少的生成树

Kruskal 算法

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最短路

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最短连接

给定Euclidean平面上 \(n\) 个点，如何用总长度最短的若干条线段将它们连接起来？

用最小生成树解决最短连接问题：构造 \(n\) 个顶点的赋权完全图 \(K_n\)，边的权为它的两个端点的Euclidean距离。问题的解即为 \(K_n\) 的最小生成树

最小 Steiner 树

允许增加任意多个Steiner点的最短连接（就是说，可以在原有的点集中增加任意多个点，使得最后的连接线段总长度最短）

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Gilbert-Pollak猜想

最小Steiner树长度不小于最小生成树长度的 \(\frac{\sqrt{3}}{2}\)倍

\(n=3,4,5,6\) 时，猜想成立

Hamilton 圈 与 Hamilton 图

经过图的所有顶点恰好一次的圈称为 Hamilton圈（Hamiltion cycle）

存在Hamilton圈的图称为Hamilton图

Icosian game

一个正十二面体的二十个顶点各代表一个城市，是否有一条从某个城市出发，沿正十二面体的棱行走，经过每个城市恰好一次，最后回到出发城市的路线？

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骑士环游 | Knight’s tour

在 \(8\times8\) 国际象棋棋盘上，马能否按其走子规则，从一个格子出发，经过其它格子恰好一次，最后回到起点？

  • 构造“跳马图”，每一格子为图的一个顶点，两个格子之间有 边相连当且仅当马可按走子规则从一个格子跳到另一个格子

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推广为 \(m\times n\) 棋盘上的骑士环游问题

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特殊顶点集

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皇后问题

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匹配（边集）

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Hall 定理 与 Frobenius 定理

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例如：

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左图中，\(|S|=2 \leq 3=|N(S)|\)

右图中，\(|S|=2 \nleq 1=|N(S)|\)

因为二者 左右顶点数不同，所以不能完美匹配

Hall定理的等价定理

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图的问题

选址问题

问题背景

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无回环情况

口诀

道路无回环，

抓各端，

最小的进一站

  • 若只有两站，应在产量多的麦田建站

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  • 若①是各端产量最小者，②是①的邻点

    Alt text - 在①处或①②之间建场，不如在②处建场 - 若不在①处或①②之间建场， ①的麦子进入麦场必经过②

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    所以我们说“最小的进一站”，把①的麦子并入②的麦子

例子

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有回环情况

口诀

道路有回环，每圈甩一段，

化为无回环，然后照样算。

甩法有不同，结果一一算，

算后再比较，最优可立断。

例如：

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将圈甩为：

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七桥问题

问题背景

在 Konigsberg 城，有七座桥梁建在 Pregel 河上，是否有一条从城中某处出发，经过每座桥梁恰好一次，最后回到出发点的路线？

Euler 图

经过图的所有边恰好一次的闭迹称为 Euler 回路（Eulerian circuit）。存在 Euler 回路的图为 Euler 图（Eulerian graph）。

一连通图是 Euler 图的充要条件是图中没有奇度顶点。

以河流分割而成的城市区域为顶点，桥梁为边，边的端点为该桥梁连接的两片区域。七桥问题等价于在该图中寻找一条闭迹。

可以证明，七桥问题无解。

中国邮递员问题（Chinese postman problem | CPP）

问题背景

一个投递员每次上班，要走遍他负责送信的段，然后回到邮局。问应该怎样走才能使所走的路程最短？

  • 将邮递员走过的区域建模为赋权图。街道为边，街道交汇 处为顶点，边的权为街道的长度。
  • 若赋权图是 Euler 图，任何一条 Euler 回路都是中国邮递员 问题的最优解。
  • 若赋权图不是 Euler 图，寻找一条总长度最短的回路，该回 路可能经过某些边两次以上。

着色

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Ramsey 数

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（IMO 1964） 17 位科学家中每一位和其余 16 位通信，在他们的通信中所讨论的仅有三个问题，而任两位科学家通信时所讨论的是同一问题，证明至少有三位科学家通信时所讨论的是同一问题。

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推广 Ramsey 数到三维，在这题就是 \(R(3,3,3)=17\)

割

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网络流

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算法与复杂性

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图的应用

搭档方法

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获胜队伍

一个 \(2n\) 个队伍的循环赛持续了 \(2n-1\) 天，每天每个队伍都和另一个队伍比赛，每场比赛都有一个队伍获胜，一个队伍失败。在整个比赛中，每个队伍都和其他队伍比赛了一次。我们能不能在每天都选择一个获胜的队伍，而且每个队伍只能被选择一次？

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黑白异位

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分水问题

现有A,B,C三个水瓶，其容积分别为12,8,5升。 A瓶装满水， B,C为空瓶。现欲利用B,C两瓶，将A瓶中的水均分，并使倾倒次数最少

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好像是列出了所有的情况，然后找到最短的路径。从中间的 \((12,0,0)\) 到左边的 \((6,6,0)\)

代表问题

某校共有 \(m\) 个专业，为调研 \(n\) 门课程的教学情况，邀请部分同学参加座谈

  • 每门课程有一名同学参加
  • 各门课程邀请的学生各不相同
  • 来自专业 \(i\) 的学生数不超过 \(a_i\)

可以用网络流解决

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电缆与管道问题

中心配电房位于某幢建筑内，一些主干用户位于其 他不同的建筑内。为避免相互干扰，中心配电房与 每个主干用户需有一条专门的电缆相连

  • 电缆需铺设在地下管道内，多条电缆可以共用一条 地下管道，有些建筑之间的道路可能不允许开挖管 道
  • 铺设电缆的单位长度费用为 \(\gamma\) ，开挖管道的单位长 度费用为 \(\tau\)
  • 寻找一种方案，使总费用尽可能少

对电缆来说是最短路问题，对管道来说是最小生成树问题

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未来网络 · 寻路

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