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歐拉圖與哈密爾頓圖
Euler圖
定義
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經(jīng)過G的每條邊的跡被稱為歐拉跡
- 跡的邊,每個邊只出現(xiàn)一次,但是點不一定,可以多次
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能夠閉合的跡被稱為閉跡
- 存在歐拉閉跡的圖稱為歐拉圖
- 歐拉閉跡又稱為歐拉回路
歐拉圖等價性質(zhì)
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圖G的每個點的度都是偶數(shù)
- 證明:令C為G中的一條歐拉回路,G中任一個給定的點在C中每出現(xiàn)一次恰好關(guān)聯(lián)兩條邊,因為G的每條邊在C僅出現(xiàn)一次,所以該點的度為該店在C中出現(xiàn)的次數(shù)的兩倍,是偶數(shù)
-
推論:連通圖G有歐拉跡當且僅當G最多有兩個奇點
- 證明:顯然,G有歐拉閉跡時當且僅有0個奇點。而若G有歐拉非閉跡,并設(shè)點u和v分別是C的奇點和終點,記在C中添加一條連接u和v的邊e后所得到的圖為C+e,顯然,C+e是一條歐拉閉跡,則由已知結(jié)論可知,C+e有0個奇點,所以C有兩個奇點。反之,設(shè)G是恰有兩個奇點u和v的連通圖,在u和v之間添加新邊e得圖G+e,則G+e沒有奇點,由已知結(jié)論,G+e有歐拉閉跡,所以G有歐拉跡,綜上,結(jié)論成立
-
圖G的邊集能劃分為邊不重的圈的并
- 由上一個性質(zhì)來證明該性質(zhì),當G的邊數(shù)為1時,G只能是自環(huán),結(jié)論顯然成立。假設(shè)G的邊數(shù)大于1,從任意一點出發(fā),尋找一條通路直到某一個頂點再次遇到,假設(shè)為v,則v到v的通路構(gòu)成一個圈。從G中移除得到的圈,則得到的每個連通分支是一個滿足條件,邊數(shù)較少的圈。
- 可以想象,一個大圈,被擰巴成那種麻花,成了幾個小圈
一筆畫
- 多少筆畫完取決于有多少對奇點
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若G有2k個奇度頂點,則存在k條邊不重的跡Q1,Q2...Qk使得E(G)=E(Q1)∪E(Q2)∪...∪E(Qk)
- 證明:只就連通圖進行證明,對2k個奇點,兩兩配對且不相鄰,添加k條新的邊,從而G‘變成了歐拉圖,G’存在歐拉回路C,在C中刪除剛才新加的邊,得k個邊不重的跡Qi,從而得證
一些性質(zhì)(例題)
-
若G是非平凡的歐拉圖,則G的每個塊也是歐拉圖
- 證明:設(shè)B是G的任意一個塊,C是G的一個歐拉回路,從B的某一點v出發(fā),沿著C前進,由塊的定義知,歐拉回路C只有經(jīng)過G的割點才能離開B,也只有經(jīng)過同一割點才能回到B中,我們將C中不屬于B的那些邊去掉,得到一個回路,該回路經(jīng)過了B的每條邊,因此,該回路是B的歐拉回路,所以B是歐拉圖。
-
若G和H是歐拉圖,則GxH是歐拉圖
- 首先GxH是積圖的意思,(x,y),新圖中相連必須一個坐標相等,另外一個相連
- 證明要從(度數(shù)偶數(shù),連通圖來入手)
-
度數(shù)偶數(shù):對于任意u∈V(G),v∈V(H),必有
- 如此便能得到積圖度數(shù)為偶數(shù)
-
其次,GxH必為連通圖,對任意頂點(u1,v1)∈V(GxH),(u2,v2)∈V(GxH),它們之間必存在一條通路,由于G是歐拉圖,則G必為連通圖,因此,在G中存在一條連接u1和u2的路(u1,x1,x2,...xp,u2),同理在H中存在一條連接v1和v2的路(v1,y1,y2,...,yq,v2),所以GxH中存在一條連接(u1,v1)和(u2,v2)的路(u1,v1)(x1,v1)...(xp,v1)(u2,v1)(u2,y1)(u2,y2)...(u2,yq)(u2,v2)
- 綜上,GxH是每個頂點度數(shù)為偶數(shù)的連通圖,所以GxH是歐拉圖
-
G是非平凡的歐拉圖,且v∈V(G),G的每條以v為起點的跡都能擴展成G的歐拉回路當且僅當G-v為森林
- 擴展的意思是從跡的終點繼續(xù)走下去,延伸
- 森林,就是無圈圖
-
必要性:若不然,G-v包含圈C,考慮G1=G-E(C)的包含頂點v的連通分支H,由于G是歐拉圖,則G的每個頂點度數(shù)為偶數(shù),圈C的每個頂點度數(shù)為偶數(shù),所以G1的每個頂點的度數(shù)都是偶數(shù),從而H是頂點度數(shù)都是偶數(shù)的連通圖,H是歐拉圖。設(shè)T為H的歐拉回路,則T可以看做是圖G的以v為起點與終點的一條跡。這里可以證明T與C不相交,且圖G與v關(guān)聯(lián)的邊都在T中。假設(shè)T與C相交,即有公共邊,則在G-E(C)時就會將其刪掉,則不可能再H中構(gòu)成回路,所以T與C不相交;同時,圈C是由G-v得到,所以與v相關(guān)聯(lián)的邊一定不在圈C上,然后與v關(guān)聯(lián)的邊一定出現(xiàn)在v所在的連通分支上,不出現(xiàn)在其他連通分支上,這顯然,所以一定在T中。此時,與v關(guān)聯(lián)的邊都在T中,無法繼續(xù)走下去,所以無法擴展,所以矛盾,所以G-v一定不包含圈,所以G-v是森林
- 一句話:反證,點v除了在圈中,不和剩余部分相連,所以矛盾
-
充分性:若不然,則設(shè)Q=(v,w)是G的一條不能擴展為G的歐拉回路的最長的跡。首先,v=w,即Q是一條閉跡,否則,v和w是G-Q僅有的兩個奇度點,從而,G-Q中存在以w為奇點,v為終點的跡P,因此,跡Q可以通過P繼續(xù)擴展,所以Q必須是閉跡。其次,Q包含與v關(guān)聯(lián)的所有邊,否則,Q還可以延長。所以,G-v包含包含G-Q的所有邊,且G-Q的每個頂點的度數(shù)都是偶數(shù)。所以G-Q的非平凡連通分支是歐拉圖,所以存在圈,所以G-v中也存在圈,這和充要條件G-v是森林矛盾,故充分性證閉。
- 一句話,反證,最長的跡時閉跡,推導(dǎo)出G-v也是度數(shù)為偶數(shù)的圖,存在圈
Fleury算法
- 描畫一條邊不重復(fù)的跡,割邊在沒有其他選擇時才會被描畫
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目的:找歐拉圖的歐拉回路
- 對于半歐拉圖的歐拉跡也可以,因為它和歐拉圖也就差了一條邊,填上這條邊,就可以用fleury算法尋找歐拉回路,刪掉添的邊,就成了歐拉跡
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算法過程
- 每次在當前軌跡的終點選擇邊,從當前可選邊的非割邊中任意選一條邊,然后繼續(xù)走下去,若只有割邊,那就只能選割邊往下走了
中國郵遞員問題
問題描述
- 從某點出發(fā),每條邊至少走一遍,回到該點,總路程最小
- 不一定是歐拉回路,因為有的路是重復(fù)走的,歐拉回路中每條路都是只走一次的
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該問題的圖論模型:在一個連通的具有非負權(quán)的賦權(quán)圖G中找一條包含每條邊(允許重復(fù))且邊權(quán)之和最小的閉途徑,稱之為最優(yōu)環(huán)游
- 若圖G是歐拉圖,則直接找出G的歐拉回路即可
- 若圖G是一般圖,其解法為:添加重復(fù)邊使G成為歐拉圖G‘,并使添加的重復(fù)邊的邊權(quán)之和最小,再求G’的歐拉回路
定理:假定G‘是在圖G中添加一些重復(fù)邊得到的歐拉圖,則G’具有最小權(quán)值的充要條件是:(1)G的每一條邊最多被添加一次(2)對于G‘的每個圈來說,新添加的邊的總權(quán)值不超過該圈總權(quán)值的一半
- 必要性:若G中某條邊在G’中被添加的次數(shù)超過1,則去掉其中兩條重復(fù)邊,將得到一個總權(quán)值更小,且以G為子圖的歐拉圖。所以每條邊最多被添加一次。假定G‘中存在某個圈使得新添加的邊的總權(quán)值大于該圈權(quán)值的一半,設(shè)該圈為C,那么在G’中,將C上新添加的邊全部去掉,然后將原來的每條邊都添加一次,這樣就能夠得到總權(quán)值更小的以G為子圖的歐拉圖,所以(2)需要滿足
- 充分性:要證明,滿足兩個條件的任意兩個圖都有相同的總權(quán)值。設(shè)Y1與Y2分別表示G1與G2中添加的邊的集合,令Y是Y1和Y2的非公共部分。G[Y]的每個頂點的度數(shù)必為偶數(shù)(可證明,這里不證明),由此,G[Y]的每個分支都是歐拉圖,可以做圈分解,對于每個圈,其添加的權(quán)值都相等(可證明,這里不證明)。由此,可證得G1和G2有相同的權(quán)值。(這里兩個可證明而不證明的地方,因為證明內(nèi)容太長,所以就暫時不寫了,考到的可能性比較低)
非歐拉圖求最優(yōu)環(huán)游方法
- 用每條邊最多添加一次的方式去任意添加一些重復(fù)邊是圖G稱為一個歐拉多重圖G‘
- 考察G’的圈,若存在圈C,其中重復(fù)邊的總權(quán)值大于該圈權(quán)值的一半,則再圈C上交換重復(fù)邊和不重復(fù)邊得到一個新的歐拉多重圖。重復(fù)這個過程,直到滿足不大于一半
- 用Fleury算法來求G‘的歐拉回路
最優(yōu)環(huán)游例題解決
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如果一個賦權(quán)圖G中只有兩個奇度頂點u和v,設(shè)計一個求其最優(yōu)歐拉環(huán)游的算法
- 在u和v之間求出一條最短路P,在最短路P上,給每條邊添加一條平行邊得到G的歐拉多重圖G’,在歐拉多重圖G‘中用Fleury算法求出一條歐拉回路
E圖與H圖
線圖L(G)
- V(L(G))=E(G)
- (e1,e2)∈E(L(G))當且僅當e1與e2相鄰
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n次迭線圖
- 線圖的線圖,n-1次迭代
線圖的性質(zhì)
- 線圖L(G)的頂點數(shù)等于G的邊數(shù)
- 若e=uv是G的邊,則e作為L(G)的頂點,度數(shù)為
-
若G有n個點,m條邊,則線圖L(G)的邊數(shù)為
- 證明,對于G中任一頂點v,關(guān)聯(lián)于該頂點的d(v)條邊在L(G)中產(chǎn)生的邊數(shù)為d(v)(d(v)-1)/2(兩兩相鄰的頂點),求和便是該結(jié)果
-
一個圖同構(gòu)與它的線圖,當且僅當它是圈
- 若圖G1和G2有同構(gòu)的線圖,則除了一個是K3另一個是K1,3外,G1和G2同構(gòu)
n次細分圖
- 只將G的每條邊都插入n個2度頂點,迭代n次(符號Sn)
定理:(1)若G是E圖,則L(G)既是E圖又是H圖(2)若G是H圖,則L(G)是H圖
- (1)因為G是E圖,所以每個點的度數(shù)是偶數(shù),然后線圖的每個點度數(shù)都是偶數(shù),連通,所以線圖是E圖。沿著歐拉圖的歐拉回路走一圈,就是線圖的H圖
- (2)不會,不管了···
一個圖G是E圖的充要條件是L3(G)為H圖
若G是具有n個點m條邊的非平凡連通圖,且不是一條路,則k≥n-3時,圖Lk(G)是H圖
TSP問題
問題描述:完全圖,恰好遍歷每個點,返回,且最終總路程最短
圖論模型:在賦權(quán)完全圖G中求具有最小權(quán)的哈密爾頓圈,即最優(yōu)圈
邊交換技術(shù)
- 權(quán)重小的邊去替換權(quán)重大的邊
- 選出的邊是要交叉的
- 得到的結(jié)果是近似最優(yōu)解
- 可以通過幾個不同的初始圈開始,通過邊交換技術(shù)得到幾個近似的最優(yōu)解,然后選其中最好的
最優(yōu)圈的下界
- 方法:在G中任意刪掉一點得圖G1,在圖G1中求出一棵最小生成樹T,在v的關(guān)連邊中選出兩條權(quán)值最小者e1和e2,若C是G的最優(yōu)圈,則W(C)≥W(T)+W(e1)+W(e2)
- 關(guān)于那個例題,三角不等式的,還是比較好理解的,通過最小生成樹的歐拉圖來構(gòu)建H圈那個,ppt上說的是從第三個點開始刪點,這個很不好理解,視頻上說是沿著T1的歐拉圈來構(gòu)建H圖,是通過每遍歷一個新的點,就加進路徑,這樣例如v1,v2,v3,v4,v5,v6,v1就是H圈,結(jié)合三角不等式,一定比最小生成樹的歐拉圈權(quán)值要小,即最小生成樹權(quán)值的兩倍
度極大的非哈密爾頓圖
概念
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度極大非H圖
- 非H圖
- 度不弱于其他非H圖
- 度弱是度序列排序后比較第i個大小
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Cm,n圖
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- 可以展開
- 有必要說,1≤m<n/2
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理解其生成規(guī)則:左邊m個孤立點,中間一個Km完全圖,右邊一個Kn-2m的完全圖,中間分別和左右做聯(lián)運算,即每個點都與左右兩邊的點連接
-
-
Cmn的度序列是什么樣的呢
- (m,...m,(m個),n-m-1...n-m-1(n-2m個),n-1...n-1(m個))
- 挺好理解的
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Cmn圖不是H圖
- 如果刪去中間m個頂點,刪去它們,會得到m+1個連通分支,這不符合H圖的性質(zhì)3,所以其不是H圖
-
Cmn圖對于任意兩個不相鄰的頂點,添加一條邊,則會成為H圖
- 故,Cmn圖是極大的非H圖
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定理:(Chvatal) 若G是n≥3的非H簡單圖,則G度弱與某個Cmn圖
- 用度序列判定定理的逆否命題來證明即可
- Cmn圖族中每個圖都是某個n階非簡單圖的極圖
- 如果n階簡單圖G度優(yōu)于所有的Cmn圖族,則G一定是H圖
-
定理的條件是必要條件而非充分條件
- 比如5階圈C5,度弱于C2,5,但它還是H圖
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即:非H圖,一定度弱于Cmn圖族中的某個,度優(yōu)于所有Cmn圖族一定是H圖。
- 除此之外,別無它意
- 所以,用該定理來判斷H圖時,寫出G(n)的度序列,再寫出所有的Cmn圖族度序列,如果度優(yōu)于所有,則它是H圖,否則不能判斷
-
推論:G為n階簡單圖,若n≥3且滿足下面條件,則其一定為H圖
- 則可以得到非H圖的邊數(shù)上限
- 滿足邊數(shù)如此的非H圖只有C1,n和C2,5
- 證明:若不然,由Chvatal定理,G一定度弱于Cm,n,計算Cmn,他是小于等于上面的一串的,所以|E|也小于那一串,和條件中大于那一串矛盾
- 只是充分條件,非充要
哈密爾頓圖
定義
- 經(jīng)過圖G中每個點的路稱為哈密爾頓路,H路
- 經(jīng)過圖G中每個點的圈稱為哈密爾頓圈,H圈
- 存在哈密爾頓圈的圖稱為哈密爾頓圖,H圖
性質(zhì)
- 性質(zhì)1:如果二部圖G是哈密爾頓圖,則它的二部劃分(X,Y)滿足|X|=|Y|
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性質(zhì)2:若G1和G2是H圖,則G1xG2是H圖
- 證明:G1的H圈為u1u2...upu1,G2的H圈為v1v2...vqv1,分為奇數(shù)和偶數(shù)來討論
- 奇數(shù)與偶數(shù)的區(qū)別在于遍歷到每個點的順序不一樣,因為要從(u1,v1)點出發(fā),你需要最終到達(up,v1)或者(u1,vq)才可,不然的話是構(gòu)不成圈的,而因為奇偶的問題,到這從(u1,v1)到達(up,v1)和(u1,vq)的路線不同,所以需要分類來討論,這里都是偶數(shù)為行,奇數(shù)為列來排列點
-
-
性質(zhì)3(定理):若G是H圖,則對于V的每個非空真子集S,均有ω(G-S)≤|S|
- 證明:設(shè)C的H圈。對V的任意非空子集S,易知ω(C-S)≤|S|(這是圈嘛)。C是G的生成子圖,生成子圖肯定沒有原圖結(jié)構(gòu)牢靠一些,所以ω(G-s)≤ω(C-S),所以得證
- 這只是必要條件,不是充分條件,即H圖都具有這個性質(zhì),但是滿足該條件不一定是H圖
- 彼得森圖不是H圖,但滿足定理
- 可以用于判斷某圖不是H圖
- 對這個定理,可以將S設(shè)為一點x,則ω(G-x)≤|x|=1,則ω(G-x)=1,則說明哈密爾頓圖沒有割點
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性質(zhì)4:若連通圖不是2-連通的,則G不是H圖
- 證明:若連通圖不是2-連通的,所以其一定是1連通的,所以存在割點,假設(shè)割點為v,所以ω(G-v)=2>|v|=1,所以該圖不是H圖
- 所以,H簡單圖中一定不存在割點
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性質(zhì)5:若圖G包含H路,則對V(G)的每個真子集S有,ω(G-S)≤|S|+1
- 證明:這個和性質(zhì)3很像,證明是一樣的,從一條路上刪去一個點,最多兩個連通分支,刪去k個,則最多有K+1個連通分支
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性質(zhì)6:若圖G是H圖且不是圈,則G至少包含2個度不小與3的頂點
- 證明:因為連通圖G不是圈,則圖G至少包含一個度數(shù)大于3的頂點,否則圖G是圈。若圖G只包含一個度數(shù)大于等于3的頂點,則其結(jié)構(gòu)必為幾個塊相交于一點,因此該點為割點,所以該圖不是H圖,矛盾,所以得證
H圖的判定
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充分條件1:Dirac定理。對于n≥3的簡單圖G,如果G中有δ(G)≥n/2,那么G是H圖 (充分條件)
- 證明:反證:若不然,設(shè)G是一個滿足定理條件的極大非H簡單圖,顯然G不能是完全圖,否則G是H圖,所以,在G中任意取兩個不相鄰頂點u和v,考慮G+uv,由G的極大性,G+uv是H圖,有與G是非H圖,G+uv的每個H圈必然包含邊uv,所以在G中存在起點為u終點為v的H路P。設(shè)P為v1v2...vn,v1=u,vn=v,令S={vi|uvi+1∈E(G)},T={vj|vjv∈E(G)},對于S和T,顯然vn不在S∪T中,|S∪T|<n,同時S∩T=?,否則設(shè)vi∈S∩T,由vi∈T可得vnvi∈E,則v1vi+1也∈E,則v1vi+1vivn...v1則為圈,且H圈,所以矛盾,所以S∩T=?,所以d(u)+d(v)=|S|+|T|=|S∪T|<n,這與條件矛盾,所以得證
- 感覺只要會用就行
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充分條件2:Ore定理,對于n≥3的簡單圖G,如果G中任意兩個不相鄰的頂點u與v,有d(u)+d(v)≥n,則G是H圖(充分條件)
- Ore定理比Dirac更緊
- 證明與Dirac完全類似
- 下界不能再變化
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充分條件3:若G1和G2是同一個點集V的兩個閉圖,則G=G1∩G2是閉圖
- 定義:若對d(u)+d(v)≥n的任意一對點和v都是相鄰的,則稱G是閉圖
- 證明:對任意的w∈V,有dG(w)≤dG1(w),dG(w)≤dG2(w),所以由dG(u)+dG(v)≥n可得,dG1(u)+dG1(v)≥n,dG2(u)+dG2(v)≥n,由G1和G2是閉圖,u和v在G1和G2中都鄰接,所以u和v在G1和G2中都相鄰,故u和v在G中也相鄰,從而G是閉圖
- 閉圖的交一定是閉圖,但是并不一定
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閉包
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定義:若一個與G有相同點集的閉圖G‘,使G包含于G',且對異于G‘的任何圖H,若有G包含于H包含于G’,則H不是閉圖,則稱G‘是G的閉包
- 也就是說,G的閉包是包含G的極小閉圖,擱這扯犢子呢,定義一大堆
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閉包的構(gòu)造方法:將圖中度數(shù)之和至少是圖的頂點個數(shù)的非鄰接頂點對遞歸的連接起來,知道不再由這樣的頂點對存在為止。
- 即,使得度數(shù)之和≥n的頂點對都成為鄰接的,從而成為閉圖
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一個圖的閉包不一定是完全圖
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定理:任意圖G的閉包是唯一的
- 證明:設(shè)G1和G2是G的閉包,則顯然由G包含于G1,G包含于G2,可得G包含于G1交G2,由于由閉包定理,G1交G2是閉圖,其包含于G1也包含于G2,如若它比G1G2還小,則G1G2就不能稱之為閉包了,所以它們?nèi)呦嗟?/li>
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充分條件4:G是n階簡單圖,u和v是G中不相鄰的頂點,且滿足d(u)+d(v)≥n,則G是H圖的充要條件是,G+uv為H圖
- 和Ore定理有點像,但是又不完全一樣,忽略了任意的uv
- 證明:必要性:若G是H圖,則顯然G+uv也是H圖。充分性:設(shè)G+uv是H圖,C是一個H圈,如果C不含邊uv,則G中本來就含有H圈,則得證,如果圈C中有uv邊,設(shè)C=uvv3v4...vnu,令G1=G+uv,則dG1(u)=dG(u)+1,dG1(v)=dG(v)+1,所以dG1(u)+dG1(v)=dG(u)+dG(v)+2≥n+2,一定存在i(3≤i≤n-1)使得u與vi相鄰,v與vi+1相鄰,若不存在這樣的i,因為v3,v4...,vn-1中有dG1(u)-2個點u相鄰,則v4,v5..vn就有dG1(u)-2個點不能與v相鄰,從而dG1(v)≤(n-1)-(dG1(u)-2)=n+1-dG1(u),這與dG(u)+dG(v)+2≥n+2矛盾,所以一定存在i(3≤i≤n-1)使得u與vi相鄰,v與vi+1相鄰,從而,G中存在不經(jīng)過uv的H圈C1=uvivi-1...v3vi+1vi+2...vnu,所以G是H圖
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充分條件5:Bondy定理,一個簡單圖G是H圖,當且僅當它的閉包是H圖
- 證明:若G的閉包等于G,結(jié)論顯然成立,若G的閉包和G不同,設(shè)ei是為了構(gòu)造G的閉包而依次添加的所有邊,G是H圖當且僅當G+e1是H圖,G+e1是H圖當且僅當G+e1+e2是H圖,如此反復(fù)下去,可以得到定理結(jié)論
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推論:設(shè)G是n≥3的簡單圖,若G的閉包是完全圖,則G是H圖
- 顯然呀,完全圖一定是H圖,閉包是H圖,則一定是H圖
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推論:G是n≥3的簡單圖,若G中每個點的度d(v)≥n/2,則G是H圖
- dirac定理,廢話···
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推論:G是n≥3的簡單圖,若G中任何兩個不鄰接的點u和v均有d(u)+d(v)≥n,則G是H圖
- 就是Ore定理
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充分條件6:度序列判定法,設(shè)簡單圖G的度序列是(d1,d2...dn),d1≤...dn,且n≥3,若對任意的k<n/2,或有dk>k,或有dn-k≥n-k,則G是H圖
- 也就是對于小于n/2的k,滿足兩個條件中的一個就可以
- 這個太麻煩了,不用證明
-
例題:若G是度序列(d1,d2,...dn)的非平凡簡單圖,且滿足d1≤d2≤...≤dn,證明:弱不存在小于(n+1)/2的正整數(shù)m,使得:dm<m且dn-m+1<n-m,則G有H路
- 證明:在G外加一個新點v,把它和G的所有頂點連接得圖G1,G1度序列(d1+1,d2+1,...dn+1,n),因為不存在····,由度序列判定定理知G1是H圖,所以去掉點v,顯然G有H路
補充:有割點的圖不一定是非哈密爾頓圖:注意這里是圖,而非簡單圖,若是簡單圖成立,而圖的話,可以是哈密爾頓圖加一個自環(huán),即為反例