数据结构——6.1 图的基本概念

第六章 图

6.1 图的基本概念

• 概念

1. 图的概念：G由点集V和边集E构成，记为G=(V,E)，边集可以为空，但是点集不能为空

   ·注意：线性表可以是空表，树可以是空树，但图不可以是空，即V一定是非空集

2. 无向图与有向图

   1. 无向图

      1. 无向边（简称边）

      2. 无序对，例如(a,b)=(b,a)，表示a和b两个点相连

   2. 有向图

      1. 有向边（简称弧）

      2. 有序对，例如<v,w>，称为从顶点v指向顶点w的弧，其中v称为弧尾，w称为弧头，<v,w>≠<w,v>，

3. 简单图与多重图（数据结构课程只探讨 简单图）

   1. 简单图（包含简单有向图、简单无向图）

      1. 不存在重复边

      2. 不存在顶点到自身的边

   2. 多重图

      1. 图G中某两个结点之间的边数多于一条

      2. 允许顶点通过同一条边和自己关联

4. 顶点的度、入度、出度

   1. 对于无向图：

      1. 顶点v的度是指依附于该顶点的边的条数，记为TD(v)

      2. 无向图每条边贡献两个度，因此n条边的无向图总度数为2n

   2. 对于有向图：

      1. 入度是以顶点v为终点的有向边的数目，记为ID(v)

      2. 出度是以顶点v为起点的有向边的数目，记为OD(v)

      3. 顶点v的度等于其入度和出度之和，即TD(v) = ID(v) + OD(v)

      4. 有向图每个边贡献一个入度和一个出度，因此有向图总出度等于总入度等于边的个数

5. 顶点与顶点的关系

   1. 路径：

      1. 顶点a到顶点b之间的一条路径是指顶点序列，acde...fgb

      2. 有向图的路径方向必须符合有向边的方向

      3. 有向图和无向图均有不存在路径的情况：

         1. 无向图一个孤立点没有任何边------没有到这点的路径

         2. 有向图一个点没有被任何弧头指到------没有路径

   2. 回路：第一个顶点和最后一个顶点相同的路径称为回路或环

   3. 简单路径：在路径序列中，顶点不重复出现的路径称为简单路径。

   4. 简单回路：除第一个顶点和最后一个顶点外，其余顶点不重复出现的回路称为简单回路

   5. 路径长度：路径上边的数目

   6. 点到点的距离：从顶点u出发到顶点v的最短路径若存在，则此路径的长度称为从u到v的距离，若从u到v根不不存在路径，则记该距离为无穷 (∞)

   7. 无向图中，若从顶点v到顶点w有路径存在，则称v和w是连通的

   8. 有向图中，若从顶点v到顶点w和从顶点w到顶点v之间都有路径，则称这两个顶点是强连通的

   9. 连通图：若无向图G中任意两个顶点都是连通的，则称图G为连通图，否则称为非连通图。

      1. 对于n个顶点的无向图G，若G是连通图，则最少有 n-1 条边

      2. 对于n个顶点的无向图G，若G是非连通图，则最多可能有条边

   10. 强连通图：若有向图中任何一对顶点都是强连通的，则称此图为强连通图

       1. 对于n个顶点的有向图G若G是强连通图，则最少有(n)条边(形成回路)

       2. 

6. 图的局部

   1. 子图：设有两个图G=(V,E)和G'=(V,E)，若V是V的子集，且E'是E的子集，不存在边两端的任何一端没有点的情况，则称G'是G的子图

   2. 生成子图：包含原图的所有顶点，和部分边的子图

   3. 连通分量：无向图中的极大连通子图（子图必须连通并且包含尽可能多的顶点和边）

   4. 强连通分量：有向图中的极大强连通子图（子图必须连通并且包含尽可能多的边）

   5. 生成树：连通图的生成树是包含图中全部顶点的一个极小连通子图

      1. （保持连通且边尽可能少）

      2. 若图中顶点数为n，则它的生成树含有 n-1条边。

      3. 对生成树而言，若砍去它的一条边，则会变成非连通图，若加上一条边则会形成一个回路。

      4. 应用场景：用最少的道路（边）树，连接所有地区（点）

   6. 生成森林：在非连通图中，连通分量的生成树构成了非连通图的生成森林

   7. 边的权：在一个图中，每条边都可以标上具有某种含义的数值，该数值称为该边的权值。

   8. 带权图/网：边上带有权值的图称为带权图，也称网。

   9. 带权路径长度：当图是带权图时，路径上所有边的权值之和，称为该路径的带权路径长度

7. 几种特殊形态的图

   1. 无向完全图：无向图中任意两个顶点之间都存在边

      1. 若无向图的顶点数|V|=n，则

   2. 有向完全图：有向图中任意两个顶点之间都存在方向相反的两条弧

      1. 若有向图的顶点数|V|=n，则

   3. 稀疏图与稠密图：边数很少的图称为稀疏图反之称为稠密图

   4. 树：不存在回路，且连通的无向图

      1. n个顶点的树，必有n-1条边

      2. n个顶点的图，若边数大于n-1，则一定有回路

      3. 树是连通图（无向图）

   5. 有向树：1个顶点的入度为0，其余顶点的入度均1有向图，称为有向树

      1. 有向树是有向图，但不是强连通图

• 理解

1. 连通图：连起来就行，最少的马路连通最多的村子

2. 完全图：每个点，都除他以外的所有点，完全连接

• 技巧

1. 当有n个点，若边数等于n-1，则无环连通，但若边数超过n-1，则有环未必连通

2. 有n个顶点的无向图，边数v的几个临界值：

   1. 如果v<n-1，一定不是连通图

   2. 如果n-1≤v< C n − 1 2 + 1 C_{n - 1}^{2} + 1 Cn−12+1，则可能是连通图，也可能不是

   3. 如果v> C n − 1 2 + 1 C_{n - 1}^{2} + 1 Cn−12+1，则一定是连通图（确保n个顶点连通的思路：n-1个顶点形成完全图，再加上一个边，那么一定连通）