优美! 也称 和 相邻 同时也称 或 与 关联 与同一个顶点关联 的若干条边称为是相邻的 两个端点重合为一个顶点的边称为环 (!! 如 的边 是 的一个环 关联于同一对顶点的两条或两条以上的边称为平行边 ((% 或者多重边 )(% 如 中的边 和 是 的平行边 一个 如果没有环和平行边 则称该为简单
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1 第 章 基本概念 的基本概念 定义 设 是一个非空有限集合 是与 不相交的有限集合 一个 是指一个有序三元组 其中 是关联函数! 它使 中每一元素对应于 中的无序元素对 通常我们将 简记为 或 或 中 和 分别称为 的顶点集 "#% 和边集 % 中的元素称为 的顶点 "# 或点! 中的元素称为 的边 和 分别称为 的顶点数或阶! 和边数 % 注意 的两条边可能会有一个交叉点 但交叉点不一定都是顶点 一个 可以用平面上一个形表示 用平面上的小圆圈表示 的顶点 用点与点之间的连线表示 中的边 的形表示使得抽象定义的具有直观性 有助于我们进行思考和理解的性质 明显地 同一个可以有许多形状不同的形表示方式 例 设 其中 这个 是具有 个顶点 条边的 其形如 所示 在一个 中 如果 则称 和 是 的端点
2 优美! 也称 和 相邻 同时也称 或 与 关联 与同一个顶点关联 的若干条边称为是相邻的 两个端点重合为一个顶点的边称为环 (!! 如 的边 是 的一个环 关联于同一对顶点的两条或两条以上的边称为平行边 ((% 或者多重边 )(% 如 中的边 和 是 的平行边 一个 如果没有环和平行边 则称该为简单 %)( 如果一个 的顶点集 和边集 都是有限集 则称该为有限 否则称为无限 本书仅讨论有限 只由一个顶点构成的称为平凡 "( 其他所有称为非平凡 显然 至少有一个顶点才能称为 所以 我们总要求一个的顶点集合是非空的 边数为零的称为空 ) * 定义 中 与顶点 相关联的边数 每个环计算 次 称为顶点 的度 记为 或 分别用 和 表示 中顶点的最小度 ))) 和最大度 )#)) 度为零的顶点称为孤立顶点 %!(! 例如 中 设 是 的一个非空子集 是 的任一顶点 称 为 在 中的邻集 +!% 中顶点称为 的邻点 +!"# 特别若 则常常简记 为 明显地 当 是简单时 从顶点度的定义不难发现 每条边有两个端点 从而每条边对 的贡献都是 因 而可得以下结论 定理 对每一个 均有 此定理常常称为握手定理 为了方便起见 我们把度为奇数的顶点称为奇点 度为偶数的顶点称为偶点 推论 在任何 中 奇点的个数为偶数 证明 我们把 的顶点集 划分为两部分 和 其中 是 中所有的奇点 是 中所有的偶点 则, 由定理 得 - 是偶数 所以 也是一个偶数 即推得 是偶数 我们所讨论的与的几何形状没有关系 即与顶点的位置 但两个不同的顶点不能重
3 第 章 基本概念 合 及连接它们的边的曲 直 长 短都没有关系 但一条边除了两个端点外 不再通过其他顶 点 我们所关注的只是各顶点之间是否有边或有几条边连接 例如 中的两个就不存 在本质差别 我们把这种不存在本质差别的两个称为是同构的 定义 设 与 是两个 若存在一一对应 及一一对应 使对每条边 当且仅当 则称 和 是同构的 %!)! 记为 对于两个简单 其同构定义可简化为以下定义 定义 设 与 是两个简单 若存在一一对应 使对 中任意两个顶点 和 当且仅当 则称 和 是同构的 记为 对于两个同构的 易见它们有相同的结构 差异只是顶点和边的名称不同 或两个的形状不同 由于我们主要关注的是的结构性质 所以在画时常常省略顶点和边的标号 一个无标号就认为是同构的等价类的代表 下面介绍一些特殊的类 在今后的讨论当中将经常遇到它们 任何不同两顶点之间都有恰有一条边相连的无向称为完全!)( 具有 个顶点的完全在同构意义是唯一的 记为 简单 的补!)() * 是指与 有相同的顶点集的简单 并且边 当且仅当 完全 的补 是一个仅含 个顶点不含边的 称为空 ) * 独立集 % 是中两两互不相邻的顶点组成的集合 若 是 个互不相交独立集的并集 则称 为 部 我们通常用! 表示二部 + 有时也称为二分 设 是 部 并且对任意 " 和 # "# 均有 则
4 优美 称 是完全 部!)( 记为 这里 " " " 如果一个中每个顶点的度是某一固定整数 则称该是 正则 ( 设 和 是 的两个子 若, 则称 与 是点不交的 "#%! 若, 则称 与 是边不交的 %! 对于两个 和 定义 称为 和 的并! 设 和 是 的两个点不交的 定义 这里 称 为 和 的联! 和 的联 有以下性质... 例 给出了 和 的联 设 和 是两个点不交的简单 和 - 的笛卡尔乘积 /%! 是一个简单 其中 并且对 % % % % 或者 % 且 % 或者 % 且 % 和 - 的笛卡尔乘积 有以下性质. 例 给出了 和 的笛卡尔乘积 定义 一个 的一个途径 或称为通路 1* 是一个顶点和边交替序列 这里 " " 是 的顶点 " " 是 的边 满足 " 的两
5 第 章 基本概念 个端点就是 " 和 " " 则称 是 的一条从 到 的途径 简称为 途径 " " 称为 的内部顶点 边数 称为途径 的长度 ( 分别称为途径 的起点和终点 或统称为 的端点 注意在途径的定义中 没有要求一条途径内的边互不相同 如果途径的边互不重复 则称这条途径为迹 ( 或链 如果一条途径中的顶点也互不相同 则称这条途径为路 也称为基本通路或初级通路或道路 明显地 如果 是一条 路 则 也是一条 迹和 途径 反之 若 中存在一条 途径 则在 中必然也存在一条 路 且 若 是一条路 % 和 是 中两个顶点 用 % 表示沿 从 % 到 的这一段路 当我们所讨论的是简单 没有环及重边的 时 的一条途径 可只用顶点表示为 迹与路也同样可以这样简写 对于 中两个给定的顶点 和 若 中存在 路 则必定存在一条长度最短的 路 称 是一条 最短路 %!% 的长度称为顶点 和 的距离 % 记为 或 中具有最大长度的路称为最长路 (!% 长度为 的路通常记为 定义 如果一条途径的起点与终点相同 就称这条途径为闭 (!% 途径 同样可定义闭迹 我们通常把起点及内部顶点互不相同的闭迹称为回路 或圈 *( 明显地 在简单中 任一回路的长度至少为 通常用 来表示某一长度为 的回路 称为三角形 如果 为奇数 则 称为奇圈! *( 如果 为偶数 则 称为偶圈 " *( 长为 的圈称为 圈 把长度为奇 偶 数的回路称为奇 偶 回路 根据奇回路的存在性可以判别给定的是否为二分 定理 非平凡 是二分 当且仅当 中不含有长度为奇数的回路 证明 必要性 设 是一个二分 的二分划为和! 则 和! 为空 设
6 优美 是 中长度为 的一个回路 下面证明 为偶数 不妨设 由于 与 相邻 故! 同样因! 与 相邻 有 一般来说! 又因为 所以! 即得 为偶数 充分性 不妨设 中每一对顶点之间有路连接 否则只要考虑 的每一对顶点之间有路连接的极大子 任取 的一个顶点 由 的假设 对 的每一个顶点 在 中存在 路 现利用 对 的顶点进行分类 设 中存在一条长度为偶数的 路! 中存在一条长度为奇数的 路 显然 由于 中不存在长度为奇数的回路 所以对任意一个点 中所有从 到 的路的长度都有相同的奇偶性 因而!, 由 的假设! 现对 的每一条边 若 都在上 则存在两条路 与 分别连接 与 和 与 且 的长度均为偶数 闭途径 的长度为奇数 则不难看出 中有 一条长度为奇数的回路 矛盾 同样 与 不能同时含在! 中 故 的两个端点分别在和! 中 因此 是二分 证毕 定义 经过 的每条边的迹称为 的 ( 迹 如果这条迹是封闭的 则称这条闭迹为 的 ( 环游 或欧拉回路 我们把含有 ( 环游的称为 ( 研究 ( 通路或 ( 环游的问题称为 ( 问题 定理 一个非平凡连通 是 ( 当且仅当 顶点的度均为偶数 证明 假设 是 ( 是 的一条 ( 环游 为 的起点 也是终点 当沿 前进时 每通过一个顶点必是一进一出 而每一条边在 中恰好出现一次 所以对 中所有不同于 的顶点的度来说必是偶数 而对于 由于 起始于 且终止于 所以 的度也是偶数 因此 无奇点 反之 设 是连通且无奇点的 我们对的边数进行归纳来证明 有 ( 环游 当 时 只能是一个顶点 其边为环的 显然是 ( 归纳假设在边数 时定理成立 现在证明 时定理的充分性也成立 由于 连通且无奇点 故 中每个顶点的度至少是 由已知条件 中存在回路 现将
7 第 章 基本概念 中属于 的边全删去 再除去孤立顶点得 显然 中每个顶点的度仍为偶数 设 的连通分支为 则每个连通分支是无奇点的连通 由归纳假设 " 是 ( 令 " 是 " " 的 ( 环游 再回到原来这个 由于 连通 所以每个 " 与 至少有一个公共顶点 设其中之一为 " " 现在我们可以利用这些闭迹 / / / 及这些顶点 来构造 的一条 ( 环游 由 中的某个点 出发沿 前进 每行至一个顶点 " 就先走完 " 再回到 " 继续沿 前进 这样可以走遍每条边一次且仅一次回到出发点 这样的行走轨迹就是 的一条 ( 环游 证毕 定义 如果无向 的任何两个顶点 与 中存在一条 路 则称 是连通的! 否则称 为非连通的 %! 以 表示顶点 和 是连通的 那么这种顶点间的连通关系是一个等价关系 即 反身性 则 对称性 则 传递性 这样 等价关系 便确定顶点集 的一个分类 把 分成非空子集 便得当且仅当两个顶点 和 属于同一子集 " 时 它们才是连通的 子 为 的连通分支!!)! 或简称为分支!)! 分支的个数记为 显然等价类数目即连通分支的个数 分支 的称为连通! 分支大于 的称为分离或非连通 % 定义 连通不含回路的无向称为无向树 简称为树 常用 表示一棵树 连通分支数大于等于 且每个连通分支都是树的非连通无向称为森林! % 平凡称为平凡树 "( 树有许多性质 有些性质是树的必要条件 同时也是充分条件 因而树有许多等价的定义 下面用定理给出这些性质 定理 设 下面各命题是等价的 连通不含回路 即 为树 的每对顶点之间有唯一的一条路径 是连通的 且
8 优美 中无回路 且 中无回路 但在 的任何两个不相邻的顶点之间增加一条新边 就得到唯一的一条回路 是连通的 但删去任何一条边后 所有就不连通 即 的每条边均为桥 证明 设 为 中任意两个顶点 由 的连通性 之间有通路 因而必有路径 若路径多于两条 必形成回路 这与 中无回路矛盾 由于 中任意两个顶点之间均有路径 所以任意两个顶点均是连通的 故 是连通的 下面用归纳法证明 当 时 为平凡树 结论显然成立 设 时结论成立 证明. 时结论也成立 设 为 中一条边 由 知 之间除路径 之外 无别的通路 因而 有两个连通分支 和 设 和 顶点数和边数分别为 和 易知 且 由归纳假设得 从而.... 只要证明 中无回路 若 中有回路 从回路中删去任意一条边后 所得仍然连通 若所得中再有回路 再从回路中删去一条边 直到所得中无回路为止 设共删去 条边 所得为 无回路 但仍是连通的 即 为树 由 可知 中 而 于是得 即. 这与已知条件矛盾 由条件 易证 是连通的 否则 设 有 个连通分支 设 " 有 " 个顶点 " 条边 " 由 知 每个连通分支都是树 由 因而 " " " 于是 这与已知 矛盾 因而 是连通的 又是无回路的 即 是树 由 中任意两个不相邻的顶点 之间存在唯一的路径 再加新边 形成唯一的圈 首先证明 是连通的 否则 设 是 的两个连通分支 为 中的一个顶点 为 中的一个顶点 在 中加边 不形成回路 这与已知条件矛盾 若 中存在边 仍连通 说明在 中存在 到 的通路 此通路与 构成 中回路 这与 中无回路矛盾 只需证 中无回路 若 中含回路 删除 上任何一条边后 所得的仍连 通 与 中条件矛盾
9 第 章 基本概念 优美的概念 优美是论中极有趣的重要内容 有着较好的应用价值和广阔的研究前景 2 年 3 4-!(!)+ 给出了优美的定义 随后 优美 强优美等定义相继给出 优美标号问题在编码设计 通信网络 雷达脉冲等领域有重要应用 定义 设 对某一正整数 如果存在一个单射 (. 使得对所有的边 由 ( ( ( 导出一个双射 (.. 则称 是 优美 ( 是 的一个 优美标号 优美也称优美 优美标号也称优美标号 有些文献中采用 设 对任意正整数 如果存在一个单射 (. 使得对所有的边 由 ( ( ( 导出一个双射 (.. 称 是 优美 本书为了研究问题更加广泛 采用了定义 为了避免混淆 书中对所说 优美 都给出了 的取值范围 当没有给出取值范围时 我们认为是对任意正整数 都成立 定义 关于 强优美同上 例 连通 都是优美 例 非连通 ) 是优美 2
10 优美 从 我们知道完全 和 都是优美 一般地 对于完全 -53))!% 给出以下结论 定理 完全 是优美的充要条件为 例 都是 优美 定义 设 对某一正整数 如果存在一个单射 (. 使得对所有的边 由 ( ( ( 导出一个双射 (.. 则称 是 强优美 ( 是 的一个 强优美标号 由定义 和定义 容易看出 强优美一定是 优美 其逆不真 例 和 分别是 强优美和 强优美 由定义 容易得到下列定理 定理 若 个顶点 条边的 是优美 则. 定理 的逆否命题即以下推论 推论 若 个顶点 条边的满足. 则 不是优美 从推论 可以看出 不是所有的都是优美 在所有的集合中 优美只是较小
11 第 章 基本概念 的一部分 推论 森林不是优美 定理 任何一个 个顶点 条边的优美 至少有两种不同的优美标号 事实上 设 ( 是 的一个优美标号 对任意的顶点 " 定义 * * " ( " " 显然 * 是 的一个优美标号 且异于 ( 定理 设 ( 是 个顶点的优美 的优美标号 对于任意正整数 # 定义新的标号 * 为 * " ( ".# " 则在顶点标号 * 下 的诱导边标号不变 证明 任意 在优美标号 ( 之下 边 的标号 ( ( ( 而在标号 * 之下 边 的标号为 * * * ( ( (.# (.# ( 由于边 的任意性 所以 的诱导边标号不变 参考文献 卜月华 论及其应 6 南京 东南大学出版社 魏丽侠 王涛 论及其应用 6 徐州 中国矿业大学出版社 马克杰 优美 6 北京 北京大学出版社 22 -!(!)+ 3 47!1!) !*!) 91:! ;)%22
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