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图论与网络优化3

图论与网络优化3

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  1. 【笔记1】概念与计算、树及其算法
  2. 【笔记2】容量网络模型、遍历性及其算法
  3. 【笔记3】独立集及其算法

6 独立集及其算法

6.1 独立集和覆盖

6.1.1 独立数和覆盖数

独立集:设 S ⊆ V ( G ) S \subseteq V(G) SV(G),若 S S S 中任意两个顶点在 G G G 中都不相邻,即 G [ S ] G[S] G[S] 是空图,则称顶点子集 S S S G G G 的一个顶点独立集,简称独立集。
:若 S S S 中任何两个相异顶点都相邻,则称 S S S 为团。
含有 k k k 个顶点的独立集,称为 k k k 独立集。含有 k k k 个顶点的团称为 k k k 团。
极大独立集:设 S S S 是图 G G G 的独立集,但是任意增加一个顶点不再是独立集,则称 S S S 为极大独立集。
最大独立集 G G G 中顶点数最多的独立集,称为 G G G 的最大独立集,数量大小记作 α ( G ) \alpha(G) α(G)
覆盖 G G G 的顶点集的一个子集,包含 G G G 的每一条边的至少一个顶点。若 K K K 是图 G G G 的覆盖,但对任何 v ∈ K v \in K vK,都不是覆盖,则称 K K K 为极小覆盖。
最小覆盖:顶点数最少的覆盖称为最小覆盖,顶点数记作 β ( G ) \beta(G) β(G)


6.1.2 性质

定理:设 S ⊂ V ( G ) S \subset V(G) SV(G) 为顶点子集,则 S S S G G G 的独立集的充要条件是 S ‾ \overline{S} S G G G 的覆盖。
证明:设 S S S G G G 的独立集,则 G G G 的任何一条边都至少有一个端点是 S ‾ \overline{S} S 中的顶点,故 S ‾ \overline{S} S G G G 的覆盖。
S ‾ \overline{S} S G G G 的覆盖,则 G G G 的任何一条边都至少有一个端点属于 S ‾ \overline{S} S,从而 G G G 的任何一条边都不可能两个端点都在 S S S中,亦即 S S S 中任何两个顶点都不想林,故 S S S G G G 的独立集。
定理:对于任何图 G G G,有 α ( G ) + β ( G ) = v ( G ) \alpha(G)+\beta(G)=v(G) α(G)+β(G)=v(G)
证明:设 S S S G G G 的一个最大独立集, K K K G G G 的最小覆盖, V ( G ) V(G) V(G) \ K K K G G G 的独立集, V ( G ) V(G) V(G) \ S S S G G G 的覆盖。因此, v ( G ) − β ( G ) ≤ ∣ V ( G ) v(G)-\beta(G) \leq |V(G) v(G)β(G)V(G) \ K ∣ ≤ α ( G ) K| \leq \alpha(G) Kα(G) v ( G ) − α ( G ) ≤ ∣ V ( G ) v(G)-\alpha(G) \leq |V(G) v(G)α(G)V(G) \ S ∣ ≤ β ( G ) S| \leq \beta(G) Sβ(G),移项得证。


6.1.3 极大独立集的计算

G = ( V , E ) G=(V,E) G=(V,E) 是简单图,且 V = { v 1 , v 2 , . . . , v n } V=\{v_1,v_2,...,v_n\} V={v1,v2,...,vn},约定 (1) G G G 的每个顶点 v i v_i vi 当作一个布尔变量;(2)布尔积 v i v j v_iv_j vivj 表示包含 v i , v j v_i,v_j vi,vj,相应于交运算 v i ∩ v j v_i \cap v_j vivj;(3) 布尔和 v i + v j v_i+v_j vi+vj 表示包含 v i v_i vi v j v_j vj,相应于并运算 v i ∪ v j v_i \cup v_j vivj
计算 ϕ ‾ \overline{\phi} ϕ,等于若干个 右边两点的补的并,例如 ϕ ‾ = ( v 1 ‾ + v 2 ‾ ) ( v 1 ‾ + v 3 ‾ ) ( v 1 ‾ + v 4 ‾ ) ( v 3 ‾ + v 4 ‾ ) ( v 3 ‾ + v 6 ‾ ) ( v 4 ‾ + v 5 ‾ ) ( v 5 ‾ + v 6 ‾ ) = v 2 ‾ v 3 ‾ v 4 ‾ v 6 ‾ + v 2 ‾ v 3 ‾ v 4 ‾ v 5 ‾ + v 1 ‾ v 3 ‾ v 4 ‾ v 6 ‾ + v 1 ‾ v 3 ‾ v 5 ‾ + v 1 ‾ v 2 ‾ v 4 ‾ v 6 ‾ \overline{\phi} = (\overline{v_1} + \overline{v_2})(\overline{v_1} + \overline{v_3})(\overline{v_1} + \overline{v_4})(\overline{v_3} + \overline{v_4})(\overline{v_3} + \overline{v_6})(\overline{v_4} + \overline{v_5})(\overline{v_5} + \overline{v_6}) = \overline{v_2}\overline{v_3}\overline{v_4}\overline{v_6} + \overline{v_2}\overline{v_3}\overline{v_4}\overline{v_5} + \overline{v_1}\overline{v_3}\overline{v_4}\overline{v_6} + \overline{v_1}\overline{v_3}\overline{v_5} + \overline{v_1}\overline{v_2}\overline{v_4}\overline{v_6} ϕ=(v1+v2)(v1+v3)(v1+v4)(v3+v4)(v3+v6)(v4+v5)(v5+v6)=v2v3v4v6+v2v3v4v5+v1v3v4v6+v1v3v5+v1v2v4v6,因此所有极大独立集为 { v 1 , v 5 } , { v 1 , v 6 } , { v 2 , v 5 } , { v 2 , v 4 , v 6 } , { v 3 , v 5 } \{v_1,v_5\},\{v_1,v_6\},\{v_2,v_5\},\{v_2,v_4,v_6\},\{v_3,v_5\} {v1,v5},{v1,v6},{v2,v5},{v2,v4,v6},{v3,v5},最大独立集为 { v 2 , v 4 , v 6 } \{v_2,v_4,v_6\} {v2,v4,v6} α ( G ) = 3 \alpha(G)=3 α(G)=3


6.1.4 独立集与连通度的关系

定理:设 G G G n ( n ≥ 2 ) n(n \geq 2) n(n2) 阶简单图,且对 G G G 中任何不相邻的相异顶点 x , y x,y x,y,均有 d ( x ) + d ( y ) ≥ n d(x)+d(y) \geq n d(x)+d(y)n,则 α ( G ) ≤ K ( G ) \alpha(G) \leq K(G) α(G)K(G)
证明:完全图下,结论显然成立。
(反证法)若 α ( G ) ≥ K ( G ) + 1 \alpha(G) \geq K(G) + 1 α(G)K(G)+1,设 S , T S,T S,T 分别是 G G G 中最大独立集和最小顶点割,则有 ∣ S ∣ = α ( G ) = α ≥ 2 |S| = \alpha(G) = \alpha \geq 2 S=α(G)=α2 ∣ T ∣ = K ( G ) = k |T| = K(G) = k T=K(G)=k。设 G 1 , G 2 , . . . , G l G_1,G_2,...,G_l G1,G2,...,Gl G − T G-T GT 的连通分支, l ≥ 2 l \geq 2 l2,则由 S S S 是独立集知 ∣ N G ( x ) ∪ N G ( y ) ≤ n − α , ∀ x , y ∈ S |N_G(x) \cup N_G(y) \leq n - \alpha, \forall x,y \in S NG(x)NG(y)nα,x,yS。于是 ∀ x , y ∈ S \forall x,y \in S x,yS,有 ∣ N G ( x ) ∪ N G ( y ) ∣ = ∣ N G ( x ) ∣ + ∣ N G ( y ) ∣ − ∣ N G ( x ) ∪ N G ( y ) ∣ = d G ( x ) + d G ( y ) − ∣ N G ( x ) ∪ N G ( y ) ∣ ≥ n − ( n − α ) = α ≥ k + 1 > ∣ T ∣ |N_G(x) \cup N_G(y)| = |N_G(x)| + |N_G(y)| - |N_G(x) \cup N_G(y)| = d_G(x) + d_G(y) - |N_G(x) \cup N_G(y)| \geq n-(n-\alpha)=\alpha \geq k + 1 > |T| NG(x)NG(y)=NG(x)+NG(y)NG(x)NG(y)=dG(x)+dG(y)NG(x)NG(y)n(nα)=αk+1>T
注意到,与属于 G − T G-T GT 的不同连通分支的两个顶点同时相邻的顶点只能属于 T T T,故上式表明,在 G − T G-T GT 中,恰有一个连通分支含 S S S 中顶点。不妨设 S ⊆ V ( G 1 ) ∪ T , x ∈ V ( G 1 ) ∩ S S \subseteq V(G_1) \cup T, x \in V(G_1) \cap S SV(G1)T,xV(G1)S,令 y ∈ V ( G 2 ) y \in V(G_2) yV(G2),则 ∣ N G ( x ) ∪ N G ( y ) ∣ ≤ n − ∣ S − V ( G 1 ) − 1 ∣ = n − α + ∣ S ∩ T ∣ − 1 |N_G(x) \cup N_G(y)| \leq n - |S-V(G_1)-1| = n - \alpha + |S \cap T| -1 NG(x)NG(y)nSV(G1)1∣=nα+ST1。又因为 N G ( x ) ∩ N G ( y ) ⊆ T N_G(x) \cap N_G(y) \subseteq T NG(x)NG(y)T \ S S S,.所以 ∣ N G ( x ) ∩ N G ( y ) ≤ k − ∣ S ∩ T ∣ |N_G(x) \cap N_G(y) \leq k - |S \cap T| NG(x)NG(y)kST。综合两个式子,得 d G ( x ) + d G ( y ) = ∣ N G ( x ) ∪ N G ( y ) ∣ + ∣ N G ( x ) ∩ N G ( y ) ∣ ≤ ( n − α + ∣ S ∩ T ∣ − 1 ) + ( k − ∣ S ∩ T ∣ ) = n − α + k − 1 ≤ n − 2 d_G(x)+d_G(y) = |N_G(x) \cup N_G(y)| + |N_G(x) \cap N_G(y)| \leq (n-\alpha+|S \cap T| -1) + (k - |S \cap T|) = n - \alpha + k - 1 \leq n - 2 dG(x)+dG(y)=NG(x)NG(y)+NG(x)NG(y)(nα+ST1)+(kST)=nα+k1n2 与已知矛盾,所以 α ( G ) ≤ K ( G ) \alpha(G) \leq K(G) α(G)K(G)


6.2 Ramsey数

6.2.1 Ramsey数

Ramsey数:给定正整数 k , l k,l k,l,若存在一个正整数 n n n,使得任何 n n n 阶简单图或者含有 k k k 团,或者含有 l l l 独立集,则记之为 n → ( k , l ) n \rightarrow (k,l) n(k,l),并称使 n → ( k , l ) n \rightarrow (k,l) n(k,l) 成立的最小正整数 n n n R a m s e y Ramsey Ramsey 数,记作 r ( k , l ) r(k,l) r(k,l)
R a m s e y Ramsey Ramsey 数的定义,容易得到如下结论:

  1. n ′ ≥ n n' \geq n nn,且 n → ( k , l ) n \rightarrow (k,l) n(k,l),则 n ′ → ( k , l ) n' \rightarrow (k,l) n(k,l)
  2. r ( k , l ) r(k,l) r(k,l) 存在,则 r ( l , k ) r(l,k) r(l,k) 也存在,且 r ( k , l ) = r ( l , k ) r(k,l)=r(l,k) r(k,l)=r(l,k)
  3. r ( 1 , l ) = r ( l , 1 ) = 1 r(1,l)=r(l,1)=1 r(1,l)=r(l,1)=1
  4. r ( 2 , l ) = r ( l , 2 ) = l r(2,l)=r(l,2)=l r(2,l)=r(l,2)=l

定理:对于任何正整数 k , l k,l k,l,有 ( k , l ) (k,l) (k,l) 存在。
证明:对 k , l k,l k,l 使用双重归纳法。已知对任何正整数 k , l k,l k,l r ( k , 1 ) = r ( 1 , l ) = 1 r(k,1)=r(1,l)=1 r(k,1)=r(1,l)=1,下设 k ≥ 2 , l ≥ 2 k \geq 2,l \geq 2 k2,l2。假设 r ( k − 1 , l ) , r ( k , l − 1 ) r(k-1,l),r(k,l-1) r(k1,l)r(k,l1) 都存在,往证 r ( k − 1 , l ) + r ( k , l − 1 ) → ( k , l ) r(k-1,l)+r(k,l-1) \rightarrow (k,l) r(k1,l)+r(k,l1)(k,l)。设 G G G 是任意一个 r ( k − 1 , l ) + r ( k , l − 1 ) r(k-1,l)+r(k,l-1) r(k1,l)+r(k,l1) 阶简单图,设 v ∈ V ( G ) v \in V(G) vV(G),因为 d G ( v ) + d G ‾ ( v ) = r ( k − 1 , l ) + r ( k , l − 1 ) − 1 d_G(v)+d_{\overline{G}}(v) = r(k-1,l)+r(k,l-1)-1 dG(v)+dG(v)=r(k1,l)+r(k,l1)1,所以下列两种情况必有一种出现:(1) d G ( v ) ≥ r ( k − 1 , l ) d_G(v) \geq r(k-1,l) dG(v)r(k1,l),(2) d G ‾ ( v ) ≥ r ( k , l − 1 ) d_{\overline{G}}(v) \geq r(k,l-1) dG(v)r(k,l1)。若(1)出现,记 N G ( v ) = S N_G(v)=S NG(v)=S,则 ∣ S ∣ ≥ r ( k − 1. l ) |S| \geq r(k-1.l) Sr(k1.l),从而 G [ S ] G[S] G[S] 中或者含有 k − 1 k-1 k1 团,或者含有 l l l 独立集,于是 G [ S ∪ { v } ] G[S \cup \{v\}] G[S{v}] 中或者含有 k k k 团,或者含有 l l l 独立集。若(2)出现,注意到 r ( k , l − 1 ) = r ( l − 1 , k ) r(k,l-1)=r(l-1,k) r(k,l1)=r(l1,k),通过类似推理,也能得到上述推论,综上得证,从而 r ( k , l ) r(k,l) r(k,l) 存在。


6.2.2 Ramsey数的上界

定理:对任何正整数 k ≥ 2 , l ≥ 2 k \geq 2, l \geq 2 k2,l2,有 r ( k , l ) ≤ r ( k − 1 , l ) + r ( k , l − 1 ) r(k,l) \leq r(k-1,l) + r(k,l-1) r(k,l)r(k1,l)+r(k,l1),并且若 r ( k − 1. l ) r(k-1.l) r(k1.l) r ( k , l − 1 ) r(k,l-1) r(k,l1) 都是偶数,则有 r ( k , l ) ≤ r ( k − 1 , l ) + r ( k , l − 1 ) − 1 r(k,l) \leq r(k-1,l) + r(k,l-1) - 1 r(k,l)r(k1,l)+r(k,l1)1
证明…
定理:对于任何正整数 k , l k,l k,l,都有 r ( k , l ) ≤ C k + l − 2 k − 1 r(k,l) \leq C_{k+l-2}^{k-1} r(k,l)Ck+l2k1
证明:对 k + l k+l k+l 用数学归纳法,利用 r ( 1 , l ) = r ( k , 1 ) = 1 r(1,l) = r(k,1) = 1 r(1,l)=r(k,1)=1 r ( 2 , l ) = l , r ( k , 2 ) = k r(2,l)=l,r(k,2)=k r(2,l)=l,r(k,2)=k 知, k + l ≤ 5 k+l \leq 5 k+l5 时,结论成立。设 m , n m,n m,n 为正整数,假设结论满足 5 ≤ k + l < m + n 5 \leq k+l < m+n 5k+l<m+n 的一切正整数 k , l k,l k,l 都成立,于是有 r ( m , n ) ≤ r ( m , n − 1 ) + r ( m − 1 , n ) ≤ C m + n − 3 m − 1 + C m + n − 3 m − 2 = C m + n − 2 m − 1 r(m,n) \leq r(m,n-1) + r(m-1,n) \leq C_{m+n-3}^{m-1} + C_{m+n-3}^{m-2}=C_{m+n-2}^{m-1} r(m,n)r(m,n1)+r(m1,n)Cm+n3m1+Cm+n3m2=Cm+n2m1,由归纳原理,结论对一切正整数 k , l k,l k,l 成立。


6.2.3 Ramsey数的下界

定理:对于任何正整数 k k k,有 r ( k , k ) > k ⋅ 2 k 2 − 2 r(k,k) > k · 2^{\frac{k}{2}-2} r(k,k)>k22k2
证明:…
推论:对任何正整数 k , l k,l k,l,记 m = m i n { k , l } m=min\{k,l\} m=min{k,l},则 r ( k , l ) > m ⋅ 2 m 2 − 2 r(k,l) > m·2^{\frac{m}{2}-2} r(k,l)>m22m2


6.2.4 Turan定理

k k k 部图:若图 G G G 的顶点集 V V V 可以划分成 V = V 1 ∪ V 2 ∪ . . . ∪ V k V=V_1 \cup V_2 \cup ... \cup V_k V=V1V2...Vk,这里 V i ∩ V j = ∅ V_i \cap V_j = \emptyset ViVj=,且 V i V_i Vi 中任何两个顶点在 G G G 中都不相邻,则称 G G G k k k 部图,且 V i V_i Vi 中任一顶点与 V j V_j Vj 任一顶点之间恰有一条边相连 ( 1 ≤ i < j ≤ k 1 \leq i < j \leq k 1i<jk),则称 G G G 是完全 k k k 部图。

定理:若简单图 G G G 不包含 K k + 1 K_{k+1} Kk+1,则存在一个以 V = V ( G ) V=V(G) V=V(G) 为顶点集的完全 k k k 部图 H H H,使得 d G ( x ) ≤ d H ( x ) ( ∀ x ∈ V ) d_G(x) \leq d_H(x)(\forall x \in V) dG(x)dH(x)(xV),而且若 d G ( x ) = d H ( x ) ( ∀ x ∈ V ) d_G(x)=d_H(x) (\forall x \in V) dG(x)=dH(x)(xV),则 G G G H H H
证明:…
Turan图:设 v v v n n n 阶完全 k k k 部图,若每一个 V i V_i Vi 取值都在 v k \frac{v}{k} kv 的下界与上界范围内,则把 G G G 记作 T v , k T_{v,k} Tv,k,即 T v , k T_{v,k} Tv,k 中任何两个 V i , V j V_i,V_j Vi,Vj 的顶点数最多相差 1 1 1
引理:设 G G G v v v 阶完全 k k k 部图,则 ε ( G ) ≤ ε ( T v , k ) \varepsilon(G) \leq \varepsilon(T_{v,k}) ε(G)ε(Tv,k),并且若 ε ( G ) = ε ( T v , k ) \varepsilon(G)=\varepsilon(T_{v,k}) ε(G)=ε(Tv,k),则 G G G T v , k T_{v,k} Tv,k
证明:…
定理: e x ( v , K k + 1 ) = ε ( T v , k ) ex(v,K_{k+1}) = \varepsilon(T_{v,k}) ex(v,Kk+1)=ε(Tv,k)


6.3 顶点着色

6.3.1 色数

(k)着色:设 G G G 是无环图,若把 G G G 的每个顶点都染上颜色,使任何一对相邻顶点的颜色都不相同,则称这种染色方法为正常顶点着色,简称为 G G G 的着色。若着色种类不超过 k k k,则称为 k k k 着色。
色数:若图 G G G k k k 着色,则称 G G G k k k 可着色的,使得 G G G k k k 可着色的 k k k 的最小值称为 G G G 的色数,记作 χ ( G ) = k \chi(G)=k χ(G)=k


6.3.2 色数上界

定理:设简单图 G G G 的顶点排序 n 1 , n 2 , . . . n n n_1,n_2,...n_n n1,n2,...nn 满足:每个 v j v_j vj 最多与排在它前面的 n 1 , n 2 , . . . , n j − 1 n_1,n_2,...,n_{j-1} n1,n2,...,nj1 k k k 个顶点相邻, 2 ≤ j ≤ n 2\leq j\leq n 2jn,则有 χ ( G ) ≤ k + 1 \chi(G) \leq k + 1 χ(G)k+1
证明:思路围绕 “假设第 j j j 个顶点与前面所有顶点都相邻” 即可得证。
推论:对任意简单图 G G G 均有 χ ( G ) ≤ Δ ( G ) + 1 。 \chi(G)\leq \Delta(G) + 1。 χ(G)Δ(G)+1
证明:应用定理,列出顶点序列后,对于第 j j j 个顶点最多与排在它前面的 Δ ( G ) \Delta(G) Δ(G) 个顶点相邻,因此成立。
推论:设 G G G 是简单图,则 χ ( G ) ≤ m a x H δ ( H ) + 1 \chi(G) \leq max_H\delta(H)+1 χ(G)maxHδ(H)+1,其中 H H H 是取遍 G G G 的所有由顶点导出的子图。
证明:…
推论:设 G G G 是简单连通图,且不是正则图,则有 χ ( G ) ≤ Δ ( G ) 。 \chi(G) \leq \Delta(G)。 χ(G)Δ(G)
证明:由上面推论和已知条件只需证明 G G G 的任何导出子图 H H H 都有 δ ( H ) ≤ Δ ( G ) − 1 \delta(H) \leq \Delta(G)-1 δ(H)Δ(G)1
H = G H=G H=G,结合已知条件知 δ ( G ) ≤ Δ ( G ) − 1 \delta(G) \leq \Delta(G)-1 δ(G)Δ(G)1。则存在点 x x x,使得 x ∈ V ( H ) , y ∈ V ( G ) x \in V(H), y \in V(G) xV(H),yV(G) \ V ( H ) V(H) V(H),使得 x y ∈ E ( G ) xy \in E(G) xyE(G),从而 d H ( x ) < d G ( x ) ≤ Δ ( G ) d_H(x) < d_G(x) \leq \Delta(G) dH(x)<dG(x)Δ(G),因此 δ ( H ) ≤ d H ( x ) ≤ Δ ( G ) − 1. \delta(H) \leq d_H(x) \leq \Delta(G) - 1. δ(H)dH(x)Δ(G)1.
推论:设 G G G 是连通的 k k k 正则简单图, k ≥ 3 k \geq 3 k3,且 G G G 2 2 2 顶点割,则 χ ( G ) ≤ Δ ( G ) \chi(G) \leq \Delta(G) χ(G)Δ(G).
证明:…


6.3.3 Brooks定理

Brooks定理:设 G G G 是连通简单图,且既不是奇圈,也不是完全图,则 χ ( G ) ≤ Δ ( G ) \chi(G) \leq \Delta(G) χ(G)Δ(G)
证明:首先,可以假设 G G G 是正则图。其次不妨设 Δ ( G ) ≥ 3 \Delta(G) \geq 3 Δ(G)3,因为 Δ ( G ) = 0 \Delta(G)=0 Δ(G)=0 1 1 1 时, G G G 只能是 K 1 , K 2 K_1,K_2 K1,K2,与条件相矛盾。而 Δ ( G ) = 2 \Delta(G)=2 Δ(G)=2 时, G G G 只能是偶圈,即 χ ( G ) = 2 ≤ Δ ( G ) \chi(G)=2 \leq \Delta(G) χ(G)=2Δ(G).于是 V ( G ) ≥ 5 V(G) \geq 5 V(G)5,还可以假定 G G G 3 3 3 连通的… 证明太长,有空再打。


6.3.4 色多项式

色多项式:用 π ( G , k ) \pi(G,k) π(G,k) 表示图 G G G 的所有不同的 k k k 着色数。
空图着色计数: π ( K v , k ) = k v \pi(K_v,k)=k^v π(Kv,k)=kv
完全图着色计数: π ( K v , k ) = k ( k − 1 ) . . . ( k − v + 1 ) \pi(K_v,k)=k(k-1)...(k-v+1) π(Kv,k)=k(k1)...(kv+1)
定理:对于简单图 G G G 的任意一条边 e e e,有 π ( G , k ) = π ( G − e , k ) − π ( G ⋅ e , k ) \pi(G,k)=\pi(G-e,k)-\pi(G·e,k) π(G,k)=π(Ge,k)π(Ge,k).
证明:设 e = u v e=uv e=uv G − u v G-uv Guv 的全体 k k k 着色可以分为两类:一类使 u u u v v v 颜色相同,另一类是使 u , v u,v u,v 颜色不同。对于前一类 k k k 着色,用 u , v u,v u,v 的颜色染 G ⋅ e G·e Ge 的新顶点,就对应 G ⋅ e G·e Ge k k k 着色,显然这种对应是一一对应的。同理,后一类 k k k 着色与 G G G 的全体 k k k 着色之间存在一一对应,因此 π ( G − e , k ) = π ( G , k ) + π ( G ⋅ e , k ) \pi(G-e,k)=\pi(G,k) + \pi(G·e,k) π(Ge,k)=π(G,k)+π(Ge,k)
定理:设简单图 G G G n n n 个顶点, ϵ \epsilon ϵ 条边和 ω \omega ω 个连通分支,则 π ( G , k ) = a 0 k n − a 1 k n − 1 + . . . + ( − 1 ) n − ω a n − ω k ω \pi(G,k) = a_0k^n - a_1k^{n-1}+...+(-1)^{n-\omega}a_{n-\omega}k^{\omega} π(G,k)=a0kna1kn1+...+(1)nωanωkω,其中 a 0 = 1 , a 1 = ϵ , a i > 0 ( 2 ≤ i ≤ n − ω a_0=1,a_1=\epsilon,a_i > 0(2 \leq i \leq n - \omega a0=1,a1=ϵ,ai>0(2inω.
证明:对 ϵ \epsilon ϵ 进行归纳。当 ϵ = 0 \epsilon = 0 ϵ=0 时,则 G = K n ‾ , π ( G , k ) = k n G=\overline{K_n},\pi(G,k)=k^n G=Kn,π(G,k)=kn,结论成立。后面太长了,以后再打。
技巧:

  1. 若简单图 G G G 不是空图,则可反复利用公式 π ( G , k ) = π ( G − e , k ) − π ( G ⋅ e , k ) \pi(G,k)=\pi(G-e,k)-\pi(G·e,k) π(G,k)=π(Ge,k)π(Ge,k)
  2. 若简单图 G G G 不是完全图,则可反复利用公式 π ( G , k ) = π ( G + e , k ) + π ( ( G + e ) ⋅ e , k ) \pi(G,k)=\pi(G+e,k)+\pi((G+e)·e,k) π(G,k)=π(G+e,k)+π((G+e)e,k).

定理:简单图 G G G 是树,当且仅当 π ( G , k ) = k ( k − 1 ) n − 1 \pi(G,k)=k(k-1)^{n-1} π(G,k)=k(k1)n1
证明:以后有空了再打。
定理:简单图 G G G 是连通二部图,当且仅当 π ( G , k ) \pi(G,k) π(G,k) 中的 a n − 1 a_{n-1} an1 为奇数。
证明:以后有空了再打。


6.4 支配集

6.4.1 支配集定义

支配集:设简单图 G = ( V , E ) , S ⊆ V , S ≠ ∅ G=(V,E),S \subseteq V, S \neq \emptyset G=(V,E),SV,S=,若 ∀ v ∈ S ‾ \forall v \in \overline{S} vS,都存在 S S S 中的顶点与 v v v 相邻,则称 S S S 是图 G G G 的支配集。若 S S S 是图 G G G 的支配集且 S S S 的任何真子集都不再是支配集,则 S S S 为极小支配集。若 S S S 是图 G G G 的顶点个数最小的支配集,则称 S S S 是最小支配集,其中的顶点个数称为 G G G 的支配数,记作 γ ( G ) \gamma(G) γ(G).
独立支配集:设 S S S 是图 G G G 的支配集,若 S S S 是独立集,则称 S S S 为独立支配集。


6.4.2 支配集的性质

定理:设 S S S 为简单图 G G G 的支配集,则 S S S 为极小支配集当且仅当 S S S 中的每个顶点 v v v 满足下列性质之一:(1)存在 u ∈ S ‾ u \in \overline{S} uS,使 N ( u ) ∩ S = { v } N(u) \cap S= \{ v \} N(u)S={v};(2) S ∩ N ( v ) = ∅ S \cap N(v)=\emptyset SN(v)=
证明:
定理:设 G G G 是没有孤立顶点的简单图, S S S G G G 的极小支配集, S ‾ \overline{S} S S S S 的补集,则 S ‾ \overline{S} S 也是 G G G 的支配集。
证明:
定理:设 G G G 是没有孤立顶点的 v v v 阶简单图,则 γ ( G ) ≤ v 2 \gamma(G) \leq \frac{v}{2} γ(G)2v.
证明:


6.4.3 极小支配集的计算

布尔变量运算可以找出图中所有极小支配集。设 G = ( V , E ) G=(V,E) G=(V,E) 是简单图,且 V = { v 1 , v 2 , . . . , v n } V=\{v_1,v_2,...,v_n\} V={v1,v2,...,vn},约定布尔和 v i + v j v_i+v_j vi+vj 表示包含 v i v_i vi v j v_j vj,相应于并运算 v i ∪ v j v_i \cup v_j vivj ∀ v i ∈ V ( G ) \forall v_i \in V(G) viV(G),作布尔表达式 ϕ i = v i + ∑ v j ∈ N ( v i ) v j , ( i = 1 , 2 , . . . n ) \phi_i=v_i+\sum_{v_j\in N(v_i)}v_j,(i=1,2,...n) ϕi=vi+vjN(vi)vj,(i=1,2,...n),令 ϕ = ϕ 1 ϕ 2 . . . ϕ n \phi=\phi_1\phi_2...\phi_n ϕ=ϕ1ϕ2...ϕn,化简 ϕ \phi ϕ 即可得到图 G G G 的所有极小支配集。
例题:


6.5 边独立集和边覆盖

6.5.1 边独立数和边覆盖数

边独立集/最大边独立集:两两不相邻的边的集合,称为边独立集。边数最多的边独立集称为最大边独立集。 G G G 的最大边独立集中的边数,称为 G G G 的边独立数,记作 α ′ ( G ) \alpha'(G) α(G)
边覆盖/最小边覆盖:设 L L L 是图 G G G 的边集 E ( G ) E(G) E(G) 的一个子集,若 G G G 中的每个顶点都是 L L L 中某个点的端点,则称 L L L G G G 的边覆盖。边数最小的覆盖,称为最小边覆盖,边数为边覆盖数,记作 β ′ ( G ) \beta'(G) β(G)
定理:若简单图 G G G 中没有孤立顶点,即 δ ( G ) > 0 \delta(G) > 0 δ(G)>0,则 α ′ ( G ) + β ′ ( G ) = v ( G ) \alpha'(G)+\beta'(G)=v(G) α(G)+β(G)=v(G)
证明:…


6.5.2 完美匹配

完美匹配:若边集 M M M 既是匹配(边独立集),又是边覆盖,则称 M M M 为完美匹配。


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