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图论基本概念

本页面概述了图论中的一些概念,这些概念并不全是在 OI 中常见的,对于 OIer 来说,只需掌握本页面中的基础部分即可,如果在学习中碰到了不懂的概念,可以再来查阅。

图​

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

常用 G=(V,E)G=(V,E) 表示图。

当 V,EV,E 都是有限集合时,称 GG 为 有限图。

当 VV 或 EE 是无限集合时,称 GG 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 GG 为无向图,则 EE 中的每个元素为一个无序二元组 (u,v)(u, v),称作 无向边 (undirected edge),简称 边 (edge),其中 u,v∈Vu, v \in V。设 e=(u,v)e = (u, v),则 uu 和 vv 称为 ee 的 端点 (endpoint)。

若 GG 为有向图,则 EE 中的每一个元素为一个有序二元组 (u,v)(u, v),有时也写作 u→vu \to v,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 e=u→ve = u \to v,则此时 uu 称为 ee 的 起点 (tail),vv 称为 ee 的 终点 (head),起点和终点也称为 ee 的 端点 (endpoint)。并称 uu 是 vv 的直接前驱,vv 是 uu 的直接后继。

为什么起点是 tail,终点是 head?

边通常用箭头表示,而箭头是从「尾」指向「头」的。

若 GG 为混合图,则 EE 中既有 有向边,又有 无向边。

若 GG 的每条边 ek=(uk,vk)e_k=(u_k,v_k) 都被赋予一个数作为该边的 权,则称 GG 为 赋权图。如果这些权都是正实数,就称 GG 为 正权图。

图 GG 的点数 ∣V(G)∣\left| V(G) \right| 也被称作图 GG 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 G=(V,E)G = (V, E) 中,若点 vv 是边 ee 的一个端点,则称 vv 和 ee 是 关联的 (incident) 或 相邻的 (adjacent)。对于两顶点 uu 和 vv,若存在边 (u,v)(u, v),则称 uu 和 vv 是 相邻的 (adjacent)。

一个顶点 v∈Vv \in V 的 邻域 (neighborhood) 是所有与之相邻的顶点所构成的集合,记作 N(v)N(v)。

一个点集 SS 的邻域是所有与 SS 中至少一个点相邻的点所构成的集合,记作 N(S)N(S),即:

N(S)=⋃v∈SN(v)N(S) = \bigcup_{v \in S} N(v)

简单图​

自环 (loop):对 EE 中的边 e=(u,v)e = (u, v),若 u=vu = v,则 ee 被称作一个自环。

重边 (multiple edge):若 EE 中存在两个完全相同的元素(边)e1,e2e_1, e_2,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。鸽巢原理有相关应用。

如果一张图中有自环或重边,则称它为 多重图 (multigraph)。

注意

在无向图中 (u,v)(u, v) 和 (v,u)(v, u) 算一组重边,而在有向图中,u→vu \to v 和 v→uv \to u 不为重边。 在题目中,如果没有特殊说明,是可以存在自环和重边的,在做题时需特殊考虑。

度数​

与一个顶点 vv 关联的边的条数称作该顶点的 度 (degree),记作 d(v)d(v)。特别地,对于边 (v,v)(v, v),则每条这样的边要对 d(v)d(v) 产生 22 的贡献。

对于无向简单图,有 d(v)=∣N(v)∣d(v) = \left| N(v) \right|。

握手定理(又称图论基本定理):对于任何无向图 G=(V,E)G = (V, E),有 ∑v∈Vd(v)=2∣E∣\sum_{v \in V} d(v) = 2 \left| E \right|。

推论:在任意图中,度数为奇数的点必然有偶数个。

若 d(v)=0d(v) = 0,则称 vv 为 孤立点 (isolated vertex)。

若 d(v)=1d(v) = 1,则称 vv 为 叶节点 (leaf vertex)/悬挂点 (pendant vertex)。

若 2∣d(v)2 \mid d(v),则称 vv 为 偶点 (even vertex)。

若 2∤d(v)2 \nmid d(v),则称 vv 为 奇点 (odd vertex)。图中奇点的个数是偶数。

若 d(v)=∣V∣−1d(v) = \left| V \right| - 1,则称 vv 为 支配点 (universal vertex)。

对一张图,所有节点的度数的最小值称为 GG 的 最小度 (minimum degree),记作 δ(G)\delta (G);最大值称为 最大度 (maximum degree),记作 Δ(G)\Delta (G)。即:δ(G)=min⁡v∈Gd(v)\delta (G) = \min_{v \in G} d(v),Δ(G)=max⁡v∈Gd(v)\Delta (G) = \max_{v \in G} d(v)。

在有向图 G=(V,E)G = (V, E) 中,以一个顶点 vv 为起点的边的条数称为该顶点的 出度 (out-degree),记作 d+(v)d^+(v)。以一个顶点 vv 为终点的边的条数称为该节点的 入度 (in-degree),记作 d−(v)d^-(v)。显然 d+(v)+d−(v)=d(v)d^+(v)+d^-(v)=d(v)。

对于任何有向图 G=(V,E)G = (V, E),有:

∑v∈Vd+(v)=∑v∈Vd−(v)=∣E∣\sum_{v \in V} d^+(v) = \sum_{v \in V} d^-(v) = \left| E \right|

若对一张无向图 G=(V,E)G = (V, E),每个顶点的度数都是一个固定的常数 kk,则称 GG 为 kk- 正则图 (kk-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 ww 是一个边的序列 e1,e2,…,eke_1, e_2, \ldots, e_k,使得存在一个顶点序列 v0,v1,…,vkv_0, v_1, \ldots, v_k 满足 ei=(vi−1,vi)e_i = (v_{i-1}, v_i),其中 i∈[1,k]i \in [1, k]。这样的途径可以简写为 v0→v1→v2→⋯→vkv_0 \to v_1 \to v_2 \to \cdots \to v_k。通常来说,边的数量 kk 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 ww,若 e1,e2,…,eke_1, e_2, \ldots, e_k 两两互不相同,则称 ww 是一条迹。

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

回路 (circuit):对于一条迹 ww,若 v0=vkv_0 = v_k,则称 ww 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 ww,若 v0=vkv_0 = v_k 是点序列中唯一重复出现的点对,则称 ww 是一个环。

信息

关于路径的定义在不同地方可能有所不同,如,「路径」可能指本文中的「途径」,「环」可能指本文中的「回路」。如果在题目中看到类似的词汇,且没有「简单路径」/「非简单路径」(即本文中的「途径」)等特殊说明,最好询问一下具体指什么。

子图​

对一张图 G=(V,E)G = (V, E),若存在另一张图 H=(V′,E′)H = (V', E') 满足 V′⊆VV' \subseteq V 且 E′⊆EE' \subseteq E,则称 HH 是 GG 的 子图 (subgraph),记作 H⊆GH \subseteq G。

若对 H⊆GH \subseteq G,满足 ∀u,v∈V′\forall u, v \in V',只要 (u,v)∈E(u, v) \in E,均有 (u,v)∈E′(u, v) \in E',则称 HH 是 GG 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 V′V'(V′⊆VV' \subseteq V) 的导出子图称为 V′V' 导出的子图,记作 G[V′]G \left[ V' \right]。

若 H⊆GH \subseteq G 满足 V′=VV' = V,则称 HH 为 GG 的 生成子图/支撑子图 (spanning subgraph)。

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

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

如果有向图 G=(V,E)G = (V, E) 的导出子图 H=G[V∗]H = G \left[ V^\ast \right] 满足 ∀v∈V∗,(v,u)∈E\forall v \in V^\ast, (v, u) \in E,有 u∈V∗u \in V^\ast,则称 HH 为 GG 的一个 闭合子图 (closed subgraph)。

连通​

无向图​

对于一张无向图 G=(V,E)G = (V, E),对于 u,v∈Vu, v \in V,若存在一条途径使得 v0=u,vk=vv_0 = u, v_k = v,则称 uu 和 vv 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 G=(V,E)G = (V, E),满足其中任意两个顶点均连通,则称 GG 是 连通图 (connected graph),GG 的这一性质称作 连通性 (connectivity)。

若 HH 是 GG 的一个连通子图,且不存在 FF 满足 H⊊F⊆GH\subsetneq F \subseteq G 且 FF 为连通图,则 HH 是 GG 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 G=(V,E)G = (V, E),对于 u,v∈Vu, v \in V,若存在一条途径使得 v0=u,vk=vv_0 = u, v_k = v,则称 uu 可达 vv。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 G=(V,E)G = (V, E),若 V′⊆VV'\subseteq V 且 G[V∖V′]G\left[V\setminus V'\right](即从 GG 中删去 V′V' 中的点)不是连通图,则 V′V' 是图 GG 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 G=(V,E)G = (V, E) 和整数 kk,若 ∣V∣≥k+1|V|\ge k+1 且 GG 不存在大小为 k−1k-1 的点割集,则称图 GG 是 kk- 点连通的 (kk-vertex-connected),而使得上式成立的最大的 kk 被称作图 GG 的 点连通度 (vertex connectivity),记作 κ(G)\kappa(G)。(对于非完全图,点连通度即为最小点割集的大小,而完全图 KnK_n 的点连通度为 n−1n-1。)

对于图 G=(V,E)G = (V, E) 以及 u,v∈Vu, v\in V 满足 u≠vu\ne v,uu 和 vv 不相邻,uu 可达 vv,若 V′⊆VV'\subseteq V,u,v∉V′u, v\notin V',且在 G[V∖V′]G\left[V\setminus V'\right] 中 uu 和 vv 不连通,则 V′V' 被称作 uu 到 vv 的点割集。uu 到 vv 的最小点割集的大小被称作 uu 到 vv 的 局部点连通度 (local connectivity),记作 κ(u,v)\kappa(u, v)。

还可以在边上作类似的定义:

对于连通图 G=(V,E)G = (V, E),若 E′⊆EE'\subseteq E 且 G′=(V,E∖E′)G' = (V, E\setminus E')(即从 GG 中删去 E′E' 中的边)不是连通图,则 E′E' 是图 GG 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 G=(V,E)G = (V, E) 和整数 kk,若 GG 不存在大小为 k−1k-1 的边割集,则称图 GG 是 kk- 边连通的 (kk-edge-connected),而使得上式成立的最大的 kk 被称作图 GG 的 边连通度 (edge connectivity),记作 λ(G)\lambda(G)。(对于任何图,边连通度即为最小边割集的大小。)

对于图 G=(V,E)G = (V, E) 以及 u,v∈Vu, v\in V 满足 u≠vu\ne v,uu 可达 vv,若 E′⊆EE'\subseteq E,且在 G′=(V,E∖E′)G'=(V, E\setminus E') 中 uu 和 vv 不连通,则 E′E' 被称作 uu 到 vv 的边割集。uu 到 vv 的最小边割集的大小被称作 uu 到 vv 的 局部边连通度 (local edge-connectivity),记作 λ(u,v)\lambda(u, v)。

点双连通 (biconnected) 几乎与 22- 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 22- 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 (22-edge-connected) 与 22- 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 (22-edge-connected component)(极大边双连通子图)。

Whitney 定理:对任意的图 GG,有 κ(G)≤λ(G)≤δ(G)\kappa(G)\le \lambda(G)\le \delta(G)。(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,一般用于讨论时间复杂度为 O(∣V∣2)O(|V|^2) 的算法与 O(∣E∣)O(|E|) 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 O(∣E∣)O(|E|) 的算法效率明显更高)。

补图​

对于无向简单图 G=(V,E)G = (V, E),它的 补图 (complement graph) 指的是这样的一张图:记作 Gˉ\bar G,满足 V(Gˉ)=V(G)V \left( \bar G \right) = V \left( G \right),且对任意节点对 (u,v)(u, v),(u,v)∈E(Gˉ)(u, v) \in E \left( \bar G \right) 当且仅当 (u,v)∉E(G)(u, v) \notin E \left( G \right)。

反图​

对于有向图 G=(V,E)G = (V, E),它的 反图 (transpose graph) 指的是点集不变,每条边反向得到的图,即:若 GG 的反图为 G′=(V,E′)G'=(V, E'),则 E′={(v,u)∣(u,v)∈E}E'=\{(v, u)|(u, v)\in E\}。

特殊的图​

若无向简单图 GG 满足任意不同两点间均有边,则称 GG 为 完全图 (complete graph),nn 阶完全图记作 KnK_n。若有向图 GG 满足任意不同两点间都有两条方向不同的边,则称 GG 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),nn 阶无边图记作 K‾n\overline{K}_n 或 NnN_n。NnN_n 与 KnK_n 互为补图。

注意

零图 (null graph) 也可指 零阶图 (order-zero graph) K0K_0,即点集与边集均为空的图。

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

若无向简单图 G=(V,E)G = \left( V, E \right) 的所有边恰好构成一个圈,则称 GG 为 环图/圈图 (cycle graph),nn(n≥3n \geq 3) 阶圈图记作 CnC_n。易知,一张图为圈图的充分必要条件是,它是 22- 正则连通图。

若无向简单图 G=(V,E)G = \left( V, E \right) 满足,存在一个点 vv 为支配点,其余点之间没有边相连,则称 GG 为 星图/菊花图 (star graph),n+1n + 1(n≥1n \geq 1) 阶星图记作 SnS_n。

若无向简单图 G=(V,E)G = \left( V, E \right) 满足,存在一个点 vv 为支配点,其它点之间构成一个圈,则称 GG 为 轮图 (wheel graph),n+1n + 1(n≥3n \geq 3) 阶轮图记作 WnW_n。

若无向简单图 G=(V,E)G = \left( V, E \right) 的所有边恰好构成一条简单路径,则称 GG 为 链 (chain/path graph),nn 阶的链记作 PnP_n。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)。

如果一张无向连通图包含恰好一个环,则称它是一棵 基环树 (pseudotree)。

如果一张有向弱连通图每个点的入度都为 11,则称它是一棵 基环外向树。

如果一张有向弱连通图每个点的出度都为 11,则称它是一棵 基环内向树。

多棵树可以组成一个 森林 (forest),多棵基环树可以组成 基环森林 (pseudoforest),多棵基环外向树可以组成 基环外向树森林,多棵基环内向树可以组成 基环内向森林 (functional graph)。

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 nn 个点和 mm 个点的完全二分图记作 Kn,mK_{n, m}。

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)。一张图的任何子图都不是 K5K_5 或 K3,3K_{3, 3} 是其为一张平面图的充要条件。对于简单连通平面图 G=(V,E)G=(V, E) 且 V≥3V\ge 3,∣E∣≤3∣V∣−6|E|\le 3|V|-6。

同构​

两个图 GG 和 HH,如果存在一个双射 f:V(G)→V(H)f : V(G) \to V(H),且满足 (u,v)∈E(G)(u,v)\in E(G),当且仅当 (f(u),f(v))∈E(H)(f(u),f(v))\in E(H),则我们称 ff 为 GG 到 HH 的一个 同构 (isomorphism),且图 GG 与图 HH 是 同构的 (isomorphic),记作 G≅HG \cong H。

从定义可知,若 G≅HG \cong H,必须满足:

  • ∣V(G)∣=∣V(H)∣,∣E(G)∣=∣E(H)∣|V(G)|=|V(H)|,|E(G)|=|E(H)|
  • GG 和 HH 结点度的非增序列相同
  • GG 和 HH 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 G=(V1,E1),H=(V2,E2)G = \left( V_1, E_1 \right), H = \left( V_2, E_2 \right) 的交定义成图 G∩H=(V1∩V2,E1∩E2)G \cap H = \left( V_1 \cap V_2, E_1 \cap E_2 \right)。

容易证明两个无向简单图的交还是无向简单图。

并 (union):图 G=(V1,E1),H=(V2,E2)G = \left( V_1, E_1 \right), H = \left( V_2, E_2 \right) 的并定义成图 G∪H=(V1∪V2,E1∪E2)G \cup H = \left( V_1 \cup V_2, E_1 \cup E_2 \right)。

和 (sum)/直和 (direct sum):对于 G=(V1,E1),H=(V2,E2)G = \left( V_1, E_1 \right), H = \left( V_2, E_2 \right),任意构造 H′≅HH' \cong H 使得 V(H′)∩V1=∅V \left( H' \right) \cap V_1 = \varnothing(H′H' 可以等于 HH)。此时与 G∪H′G \cup H' 同构的任何图称为 GG 和 HH 的和/直和/不交并,记作 G+HG + H 或 G⊕HG \oplus H。

若 GG 与 HH 的点集本身不相交,则 G∪H=G+HG \cup H = G + H。

比如,森林可以定义成若干棵树的和。

并与和的区别

可以理解为,「并」会让两张图中「名字相同」的点、边合并,而「和」则不会。

特殊的点集/边集​

支配集​

对于无向图 G=(V,E)G=(V, E),若 V′⊆VV'\subseteq V 且 ∀v∈(V∖V′)\forall v\in(V\setminus V') 存在边 (u,v)∈E(u, v)\in E 满足 u∈V′u\in V',则 V′V' 是图 GG 的一个 支配集 (dominating set)。

无向图 GG 最小的支配集的大小记作 γ(G)\gamma(G)。求一张图的最小支配集是 NP 困难的。

对于有向图 G=(V,E)G=(V, E),若 V′⊆VV'\subseteq V 且 ∀v∈(V∖V′)\forall v\in(V\setminus V') 存在边 (u,v)∈E(u, v)\in E 满足 u∈V′u\in V',则 V′V' 是图 GG 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 GG 最小的出 - 支配集大小记作 γ+(G)\gamma^+(G),最小的入 - 支配集大小记作 γ−(G)\gamma^-(G)。

边支配集​

对于图 G=(V,E)G=(V, E),若 E′⊆EE'\subseteq E 且 ∀e∈(E∖E′)\forall e\in(E\setminus E') 存在 E′E' 中的边与其有公共点,则称 E′E' 是图 GG 的一个 边支配集 (edge dominating set)。

独立集​

对于图 G=(V,E)G=(V, E),若 V′⊆VV'\subseteq V 且 V′V' 中任意两点都不相邻,则 V′V' 是图 GG 的一个 独立集 (independent set)。

图 GG 最大的独立集的大小记作 α(G)\alpha(G)。

匹配​

对于图 G=(V,E)G=(V, E),若 E′∈EE'\in E 且 E′E' 中任意两条不同的边都没有公共的端点,且 E′E' 中任意一条边都不是自环,则 E′E' 是图 GG 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 GG 的最大匹配的大小记作 ν(G)\nu(G)。

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)。

对于一个匹配 MM,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:nn 阶无向图 GG 有完美匹配当且仅当对于任意的 V′⊂V(G)V' \subset V(G),podd(G−V′)≤∣V′∣p_{\text{odd}}(G-V')\leq |V'|,其中 poddp_{\text{odd}} 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 G=(V,E)G=(V, E),若 V′⊆VV'\subseteq V 且 ∀e∈E\forall e\in E 满足 ee 的至少一个端点在 V′V' 中,则称 V′V' 是图 GG 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。

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 Kn,mK_{n, m} 的最大匹配和最小点覆盖大小都为 min⁡(n,m)\min(n, m)。

边覆盖​

对于图 G=(V,E)G=(V, E),若 E′⊆EE'\subseteq E 且 ∀v∈V\forall v\in V 满足 vv 与 E′E' 中的至少一条边相邻,则称 E′E' 是图 GG 的一个 边覆盖 (edge cover)。

最小边覆盖的大小记作 ρ(G)\rho(G),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 ρ(G)+ν(G)=∣V(G)∣\rho(G)+\nu(G)=|V(G)|。

一张图的最大匹配的大小不超过最小边覆盖的大小,即 ν(G)≤ρ(G)\nu(G)\le\rho(G)。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 Kn,mK_{n, m} 的最大独立集和最小边覆盖大小都为 max⁡(n,m)\max(n, m)。

团​

对于图 G=(V,E)G=(V, E),若 V′⊆VV'\subseteq V 且 V′V' 中任意两个不同的顶点都相邻,则 V′V' 是图 GG 的一个 团 (clique)。团的导出子图是完全图。

如果一个团在加入任何一个顶点后都不再是一个团,则这个团是一个 极大团 (maximal clique)。

一张图的最大团的大小记作 ω(G)\omega(G),最大团的大小等于其补图最大独立集的大小,即 ω(G)=α(Gˉ)\omega(G)=\alpha(\bar{G})。

参考资料​

OI 中转站 - 图论概念梳理

Wikipedia(以及相关概念的对应词条)

离散数学(修订版),田文成 周禄新 编著,天津文学出版社,P184-187

戴一奇,胡冠章,陈卫。图论与代数结构 [M]. 北京:清华大学出版社,1995.

中等 (500)