图 (数学すうがく)

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重定しげさだこうむこう
いちゆう6頂點ちょうてん,7じょうてき

ざい离散数学すうがくなかGraphよう表示ひょうじ物体ぶったいあずか物体ぶったい存在そんざいぼう种关けいてき结构。数学すうがく抽象ちゅうしょうきさきてき物体ぶったいしょうさく节点ある顶点英語えいごVertex,nodeあるpoint),节点间的しょう关关けい则称さく[1]ざい描绘いち张图てき时候,通常つうじょうよう一组点或小圆圈表示节点,其间てき边则使用しようちょく线或きょく线。

图中てき边可以是ゆう方向ほうこうあるぼつゆう方向ほうこうてきれい如在いち张图ちゅう,如果节点表示ひょうじ聚会じょうてきじん,而边表示ひょうじ两人曾经握手あくしゅ,则该图就ぼつゆう方向ほうこうてきいん为甲おつにぎ过手也意味いみおつ一定和甲握过手。相反あいはん,如果一条从甲到乙的边表示甲欠乙的钱,则该图就ゆう方向ほうこうてきいん为“曾经かけ钱”这个关系一定いっていそうむこうてきぜん一种图称为无向图きさきいち种称为有向ゆうこう

图是图论なかてき基本きほん概念がいねん。1878ねん詹姆斯·西にし尔维斯特くび使用しよう“图”这いちめい词:他用たよう图来表示ひょうじ数学すうがく化学かがく分子ぶんし结构これ间的关系(他称たしょう为“化学かがく图”,英語えいごchemico-graphical image)。[2][3]

てい[编辑]

ざい图论ちゅう,图的てい义有很多。下面かめん一些比较基本的定义方式以及与它们相关的数学すうがく结构

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いち张有3个节てん3じょう边的图

いち张图(为了有向ゆうこう区分くぶん,也称无向图;为了多重たじゅう区分くぶん,也称简单图[4][5]いち二元にげんG = (V, E),其中集合しゅうごうVなかてき元素げんそしょう节点集合しゅうごうEなかてき元素げんそ两个节点组成てき无序对,しょう集合しゅうごうVしょうてんしゅうEしょう边集

一条いちじょううえてき两个节点xyしょうさく这条边的顶点ある端点たんてん;也说这条边连接りょう节点xyある这条边与xy关联英語えいごincident)。一个节点可以不属于任何边,そく它不あずかにんなん节点しょう连。よし无序对,表示ひょうじてき同一どういつ元素げんそ

さら一般いっぱん多重たじゅうてきてい义中まこと许同一对节点之间存在多条不同的边。ざい特定とくてい语境ちゅう多重たじゅう图也直接ちょくせつしょうさく图。[6][7]此时,ざい上面うわつらてきてい义中,集合しゅうごうE应该为多重たじゅうしゅう

ゆう时,图的てい义中まこと(简称英語えいごloop),そく一条连接一个节点和其自身的边。まこと许自环的图也しょう环图

てんしゅうV一般いっぱん有限ゆうげんしゅう;这意味いみ边集E也是有限ゆうげんしゅうこう虑多じゅう图)。あい对地,无限图えいinfinite graphなかてきてんしゅう以是无限てきしか而,ゆかり于有げん图中てき结论だい不能ふのう延伸えんしんいた无穷图,无穷图通常つうじょうさら视为いち种特ことてき二元にげん关系

一个点集为そらしゅうてき图称为そらいん此边しゅう也是そらしゅう)。图的英語えいごorderゆび其中节点てき数量すうりょうそく|V|。图的边数ゆび其边てき数量すうりょうそく|E|。图的大小だいしょうsize)一般也指图的边数。ただしざいいち些语さかいちゅうれい如描じゅつ算法さんぽう复杂てき时候,图的大小だいしょうゆび|V|+|E|いや则非そら图的大小だいしょう也有やゆう可能かのう0)。节点てき英語えいごdegreeあるvalencyゆび连接いた该节てんてき边的数量すうりょう;对于まこと许自环的图,环要さん做两じょう边(いん为两はし连接いた这个节点)。

如果いち个图てき阶是n,则其节点てき最大さいだい能取のとろn-1(对于まこと许自环的图则n),而边最多さいた可能かのうゆうn(n − 1)/2じょう(对于まこと许自环的图则n(n + 1)/2)。

ざい图的てい义中,边的概念がいねんてい义了节点じょうてきいち对称关系そく“邻接”关系(英語えいごadjacency relation)。具体ぐたい说,对于两个节点xy,如果いちじょう边,则称它们邻接てき。一张图因此可以用其邻接のりAらい表示ひょうじそくいちてきのり阵,其中ごと元素げんそAij表示ひょうじ节点ijこれ间的边的数量すうりょう。对于いち个简单图,总有ふん表示ひょうじあい连”かずあい连”,而そく一条边的两个顶点不能相同)。まこと许自环的图上てき值可以是非ぜひ负整すう,而多じゅう图则まこと许任なにてき值都是非ぜひ负整すう。无向图的邻接のり阵是对称阵()。

有向ゆうこう[编辑]

いち张3个节てん4じょう边组なりてき有向ゆうこう图(そうこう表示ひょうじ两个方向ほうこうじょうかくゆういちじょう边)

边为ゆう方向ほうこうてき图称さく有向ゆうこう英語えいごdirected graphあるdigraph)。

有向ゆうこう图的一种比较严格的定义[8]这样てきいちげん,其中

  • これ节点てき集合しゅうごう
  • これ(也称为有向ゆうこう英語えいごdirected edgeあるdirected linkある英語えいごarcsてき集合しゅうごう,其中てき元素げんそ节点てきゆうじょ对。

为了多重たじゅう区分くぶん,这样てき有向ゆうこう图也しょう有向ゆうこう简单图

ざいいたてき うえ,节点しょうさく这条边的顶点,其中これ起点きてんある英語えいごtail),これ终点ある[9]也说这条边连接りょう节点、这条边与节点关联。一张有向图中的节点可以不属于任何一条边。边しょう为边てきはんこう

节点てきたび英語えいごout-degreeゆび起点きてん为该节点てき边的数量すうりょう;节点てきいれ英語えいごin-degreeゆび终点为该节点てき边的数量すうりょう

さら一般いっぱん,如果一张有向图允许多条头尾都分别相同的边,则称这样てき图为有向ゆうこう多重たじゅう,这样てき边称为多重たじゅう。一种允许多重边的有向图定义方法如下[8]いち有向ゆうこう这样てきさんげん

  • 节点てき集合しゅうごう
  • 边的集合しゅうごう
  • いち关联函数かんすうはたまいじょう边映いた一个由顶点组成的有序对上(そく一条边被按顺序关联到两个顶点)。

环是ゆび一条起点和终点相同的边。前面ぜんめんてき两个てい义都まこと许自环,いん为若节点うえ有一ゆういち个自环,则边存在そんざいただし这样てき不在ふざいなかよし此,如果ようまこと许自环,则上めんてきてい义要做修あらため:对于有向ゆうこう简单图,てきてい义应该修あらため;对于有向ゆうこう多重たじゅう图,てきてい义应该修あらため。为了避免てい义不きよし,这样てき图分别称さくまこと许自环的有向ゆうこう简单图あるまこと许自环的有向ゆうこう多重たじゅう英語えいごquiverえいQuiver (mathematics))。

ざいまこと许自环的有向ゆうこう简单图なか,边是うえてきいち齐次关系えいBinary relation#Homogeneous relationしょうさくうえてき邻接关系。 对于顶点てきわが们说彼此ひし邻接てき,记作

混合こんごう[编辑]

边既有向ゆうこう、也可以无むこうてき图称さく混合こんごう混合こんごう简单图いち个多もとG = (V, E, A),而混合こんごう多重たじゅう则是多元たげんG = (V, E, A, ϕE, ϕA),其中VE(无向边集)、A有向ゆうこう边集)、ϕEϕAてきてい义可以参考さんこう前面ぜんめんてき无向图和有向ゆうこう图定义。ざい此定义下,有向ゆうこう图和无向图是混合こんごう图的特殊とくしゅじょう况。

赋权图[编辑]

いち张有10个节てん12じょう边的赋权图

赋权图英語えいごweighted graph,也称权图网络英語えいごnetwork))[10][11]ゆびごとじょう边都对应ゆういち数字すうじそく“权重”,weightてき图。[12]すえ具体ぐたい问题,权重表示ひょうじ诸如费用、长度ある容量ようりょうとう义。这样てき图会现在最短さいたんみち问题旅行りょこうしょう问题とう问题ちゅう

基本きほん术语[编辑]

  • subgraph):对于かずわか,则称これてき图。
  • 生成せいせいspanning subgraph):ゆび满足条件じょうけんてきてき
  • (chainあるwalk)、轨迹(trail)、みちみち(path):链是顶点かず交替こうたい现的序列じょれつしょうさく一个长度为kてき链,其中为其端点たんてん,其余顶点为内部ないぶてん所有しょゆう边都あいどうてき链称为轨迹(简称迹)。所有しょゆう顶点あいどうてき轨迹しょう为路みち(简称)。ざい有向ゆうこう图中,わか链(迹、みちてき方向ほうこう其中ごとじょう边的方向ほうこう一致いっち,则称其为有向ゆうこう链(迹、みち)。[13]
  • 两端てんしょうどうてき链和迹分别称为闭链(ある环,cycle)、闭迹(ある回路かいろcircuit)。
  • 距離きょり(Distance): 从頂てん出發しゅっぱついた頂點ちょうてんてき最短さいたんみちわか存在そんざいのり此路みちてきちょうしょうさくしたがえいたてき距離きょり

特殊とくしゅてき[编辑]

せい则图[编辑]

せい则图ゆびごと个节てんてき邻居英語えいごneighbor数量すうりょうしょうどうてき图,そくまい个节てんてきしょうどうてき图。节点てきkてきせい则图也称さくk-せい则图。

完全かんぜん[编辑]

いち张有5个节てん10じょう边的完全かんぜん图,其中ごと个节てん都和つわ所有しょゆう其它节点しょう连。

完全かんぜん英語えいごcomplete graphゆびごと对节てん间都ゆう一条边相连的图。一张完全图包含简单图所有可能出现的边。

有限ゆうげん[编辑]

有限ゆうげん英語えいごfinite graphゆびてんしゅう边集有限ゆうげんしゅうてき图。いや则,则称为无限图ざい说明てきじょう况下,图论ちゅう讨论てき图大有限ゆうげん图。

连通图[编辑]

ざい无向图中,如果存在そんざいxyこれ间的みちみち,则称此两节点てき无序对これ连通てきいや则,则称此两てん联通てき

连通图ゆびごと对节てん连通てき无向图。いや则,则称图是连通图

ざい有向ゆうこう图中,如果存在そんざいxyこれ间的有向ゆうこうみち,则称此两节点てきゆうじょこれつよ连通てき。此外,わかはた图中てき所有しょゆう边都换为无向边,とくいたてき无向图中存在そんざいxyこれ间的みち,则称此两节点じゃく连通てきいや则,则称此两てん联通てき

つよ连通图ゆびごと对节てんきょう连通てき有向ゆうこう图。此外,じゃく连通图ゆびごと对节てんじゃく联通てき有向ゆうこう图。いや则,则称图是连通图

对于いち张图,わか存在そんざい大小だいしょうk − 1まとてんしゅうある边集,使つかいとく从图ちゅううつりじょ集合しゅうごうきさき,图就变为连通图,则称该图k-てん连通图えいk-vertex-connected graphあるk-边连どおりえいk-edge-connected graphk-てん连通图通常つうじょう也简しょうk-连通图。

二分にぶん[编辑]

二分にぶん英語えいごbipartite graphゆび这样てき简单图:其点しゅう以被划分しょう两个集合しゅうごうWX,其中Wなかてき任意にんい两个节点间没ゆう边相连,Xなかてき任意にんい两个节点间也ぼつゆう边相连。二分にぶん图是てん着色ちゃくしょくいろすう为2てき图。

わか一张图的点集是两个集合WXてき无交并使つかいとくWなかてき任意にんい节点都和つわXなかてき所有しょゆう节点邻接,且WあるXこれないぼつゆう边,则称此图完全かんぜんふん

平面へいめん[编辑]

平面へいめんゆび以将其节てん边画ざい平面へいめんじょう,而没ゆう两边しょう交的图。

循环图[编辑]

阶为n≥3てき循环图英語えいごcycle graphある环形图英語えいごcircular graphゆび其节てん以列为v1, v2, …, vn使つかいとく图中てき边为,其中i=1, 2, …, n − 1,以及。循环图的另一种定义是所有点的度都为2てき连通图。如果循环图是另一个图的子图,则它个图ちゅうてきいち

树和森林しんりん[编辑]

ゆび任意にんい两点间都ゆう且仅ゆう一条路径的无向图。とう价地,いち个连どおり无环无向图。

森林しんりんゆび任意にんい两点いたりおお仅有一条路径的无向图。とう价地,森林しんりん一个无环无向图,あるいち组树てき无交并

其它特殊とくしゅてき[编辑]

一些进阶的特殊图包括:

れい[编辑]

いち张6个节てん7じょう边的图
  • みぎ边的图示一个点集为、边集为てき图。
  • ざい计算つくえ科学かがくなか有向ゆうこう图可以用于表示ひょうじ概念がいねん有限ゆうげんじょう态自动机,以及其它许多数たすうすえ结构。
  • 任意にんい集合しゅうごうXうえてき二元にげん关系Rてい义一个有こう图。Xなかてき元素げんそxいたyゆういちじょう边,とう且仅とうxRy
  • 有向ゆうこう图可以用于表示ひょうじしんいき网络。れい如,ざい推特うえよう户之间的关注关系以用有向ゆうこう表示ひょうじ[14][15]

图运さん[编辑]

图上以进ぎょう一些运算或变换,使つかい一个图变为另一个图:

图的推广[编辑]

ざいちょうなかまこと许一条边连接多于两个节点。

无向图可以看さくよし1-单纯がた(边)0-单纯がた(节点)组成てき单纯复形よし此,复形成けいせい为图てき推广,其中まこと许维さらだかてき单纯がた

图可以看さくいち拟阵

ざい模型もけいなか,图是いち结构。这样いちらい,边的数量すうりょう以是任意にんい基数きすうまいり图极げん

ざい计算生物せいぶつがくなか幂图えいpower graph analysis推广りょう无向图的てい义。

ざい地理ちりしんいきけいなか,为了进行道路どうろ网络ある电网てき时空ぶん析而提出ていしゅつてき几何网络えいgeometric networksてきてい参考さんこうりょう图,并借ようりょう许多图论てき概念がいねん

まいり[编辑]

参考さんこう资料[编辑]

脚注きゃくちゅう[编辑]

  1. ^ Trudeau, Richard J. Introduction to Graph Theory Corrected, enlarged republication. New York: Dover Pub. 1993: 19 [8 August 2012]. ISBN 978-0-486-67870-2. (原始げんし内容ないようそん于2019-05-05). A graph is an object consisting of two sets called its vertex set and its edge set. 
  2. ^ See:
  3. ^ Gross, Jonathan L.; Yellen, Jay. Handbook of graph theory. CRC Press. 2004: 35 [2021-08-14]. ISBN 978-1-58488-090-5. (原始げんし内容ないようそん于2021-08-14). 
  4. ^ Bender & Williamson 2010だい148ぺーじ.
  5. ^ まいり见 Iyanaga and Kawada, 69 J, p. 234 or Biggs, p. 4.
  6. ^ Bender & Williamson 2010だい149ぺーじ.
  7. ^ Graham et al., p. 5.
  8. ^ 8.0 8.1 Bender & Williamson 2010だい161ぺーじ.
  9. ^ じょ 2004だい1ぺーじ.
  10. ^ Strang, Gilbert, Linear Algebra and Its Applications 4th, Brooks Cole, 2005 [2021-08-14], ISBN 978-0-03-010567-8, (原始げんし内容ないようそん于2020-09-20) 
  11. ^ Lewis, John, Java Software Structures 4th, Pearson: 405, 2013, ISBN 978-0133250121 
  12. ^ Fletcher, Peter; Hoyle, Hughes; Patty, C. Wayne. Foundations of Discrete Mathematics International student. Boston: PWS-KENT Pub. Co. 1991: 463. ISBN 978-0-53492-373-0. A weighted graph is a graph in which a number w(e), called its weight, is assigned to each edge e. 
  13. ^ じょ 2004だい20-21ぺーじ.
  14. ^ Grandjean, Martin. A social network analysis of Twitter: Mapping the digital humanities community. Cogent Arts & Humanities. 2016, 3 (1): 1171458 [2021-08-14]. doi:10.1080/23311983.2016.1171458可免费查阅. (原始げんし内容ないようそん于2021-03-02). 
  15. ^ Pankaj Gupta, Ashish Goel, Jimmy Lin, Aneesh Sharma, Dong Wang, and Reza Bosagh Zadeh WTF: The who-to-follow system at Twitter页面そん档备份そん互联网档あん), Proceedings of the 22nd international conference on World Wide Web. doi:10.1145/2488388.2488433.

文献ぶんけん[编辑]

外部がいぶ链接[编辑]