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图论入门

科学眼光看世界 算法爱好者 2021-05-22

图论是计机算算法中很重要的一种思想,很多的实际问题都可以通过图论建模来解决。本文先介绍基本的图论相关知识,为后续讲解具体的图论算法做铺垫,如最大匹配,最小生成树,最短路,网络流,差分约束,拓扑序等。

图定义

图的表示:G=(V,E), V=(v|v为图中的顶点), E=(e|e为图中的边)

如下图:点集V:a,b,c,d,e,边集E:1,2,3,4,5

分类

可分为有向图和无向图

存储

分邻接矩阵和邻接表:

  • 邻接矩阵,一般用二维数组实现,对于不带权的图,也可以用n(row)个m(column)位二进制数来表示;
    空间由点决定,适用点少、边多的稠密图

  • 邻接表,一般用链表实现;
    空间由边决定,适用边少、点多的稀疏图

如上图中,无向图用邻接矩阵存储,有向图用邻接表存储。

变量定义

// 邻接矩阵  
int map[100][100];  
  
// 邻接表  
struct ENode{  
    int adjvex;  
    int weight;  
    ENode *next;  
}  
  
struct VNode{  
    int vertex;  
    ENode *edge;  
}  
  
VNode adjList[100];

简单图与多重图

无向图中,关联一对顶点的边多于一条,称为平行边。有向图中,关联一对顶点的边多于一条,且方向相同,也称为平行边。

多重图:含平行边或自环边的图。

简单图:既不含平行边,也不含自环边。

完全图

每对顶点之间都恰有一条边的简单图,n个顶点的完全图,共有n(n-1)/2条边。

独立集

独立集:图中两两互不相邻的顶点构成的集合,为图G的顶点集的子集。

极大独立集:图的一个独立集,且不是其他任一独立集的真子集。

最大独立集:顶点数最多的独立集。顶点个数称为图G的独立数,记为α(G)。

如下图:

独立集:[a,c],[a,e],[b,c],[b,e],[b,d],[c,e],[a,c,e],[b,c,e]

极大独立集:[b,d],加入任何点都无法构成独立集;而[a,c]不是极大独立集,还可以加入e构成更大的独立集[a,c,e]
最大独立集:[a,c,e],[b,c,e]

:图G的一个完全子图。

极大团:图的一个团,且不是其他任一团的真子集。

最大团:顶点数最多的团。

如下图:

团:[a,b],[a,d],[c,d],[c,e],[d,e],[c,d,e]

极大团:[a,b],[a,d],[c,d,e]

最大团:[c,d,e]

补图

定义:图G的完全图去除G的边集后得到的图。

最大独立集与最大团

独立集是任意两点不相邻,而团是任意两点相邻。图G的补图是去掉了相连的边,添加不相邻的边。这样图G的最大独立集就可以转化成补图的最大团。

如下图:

连通图

图中从一个顶点到达另一顶点,若存在至少一条路径,则称这两个顶点是连通的。

无向图中,如果任意两个顶点之间都能够连通,则称此无向图为连通图

无向图G的一个极大连通子图称为G的一个连通分量

有向图中,如果任意两个顶点之间都存在路径,则称此有向图为强连通图

有向图的极大强连通子图,称为强连通分量

n个顶点的强连通图,边数最多为n(n-1),最少为n。

二分图

定义:设G=(V,E)是一个无向图,顶点集V可分割为两个互不相交的子集,并且图中每条边关联的两个顶点都分属于这两个互不相交的子集,两个子集内的顶点不相邻。

充要条件:G至少有两个顶点,且其所有回路的长度均为偶数。

判断方法:染色法

  • 开始对任意一未染色的顶点染色

  • 判断其相邻的顶点中,若未染色则将其染上和相邻顶点不同的颜色;

  • 若已经染色且颜色和相邻顶点的颜色相同则说明不是二分图,若颜色不同则继续判断

可用bfs或者dfs。


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