算法与数据结构 / 图论 · 从基础语言到现代结构理论 待审核 13 页

图论 · 从基础语言到现代结构理论

一张 graph 只是「一组顶点 + 一组连接它们的边」,简单到能写在餐巾纸上;难的是从这点结构里推出深刻的定理。本系列沿一条经典脉络铺开 (Diestel 教材的骨架):先把基础语言说清楚,再看五类经典结构 (匹配 / 连通性 / 平面图 / 着色 / 流),然后看一类反复出现的母题——整体条件如何逼出局部结构 (极值 / Ramsey / Hamilton / 随机图),最后落到现代结构理论 (无限图与图子式)。

每页都把抽象定义落到一张能动手的图上:拖顶点、改参数、点单步,看增广路怎么扩、切分怎么分两侧、着色怎么回退、Euler 公式怎么对上数。能单步执行的算法走统一的 frame 引擎 (预先展开成快照、纯函数渲染);纯定理则用构造 / 反例 / 等价刻画把「为什么成立」摆出来。前置知识只需读得懂集合与简单计数;若想先熟悉图上的算法,可看 Shortest PathMST

基础语言:先把图说清楚 language · 顶点 / 边 / 度 / 连通

图的基本语言:顶点、边、度、路、圈、连通

图论最基础的一批词汇:顶点、边、度与握手引理,walk / path / cycle 的区别,连通分支、割点与桥,以及树、二部图与完全图。

subgraph · minor · 拓扑子式

子图谱系:子图、导出、生成、细分、子式

「从一张图里取出一张小图」有好几种严格不同的方式,层层放宽:subgraph 删点删边、induced subgraph 选一组点连带其全部内部边、spanning subgraph 留全部点;再到改写拓扑结构的两类——subdivision / topological minor(把边换成路)与 minor(允许收缩连通块成点)。并排看同一张图按不同方式取出的结果,这套层级是图子式理论的入口。

经典结构:匹配 / 连通 / 平面 / 着色 / 流 matching · augmenting path · Hall / König / Tutte

匹配:增广路与三条配对定理

匹配靠增广路做到最大。三条经典定理:Hall 的邻集判据、König 的匹配与点覆盖相等、Tutte 的奇分支判据。

connectivity · separator · Menger

连通性:分隔集与 Menger 定理

拆开两点最少删几个顶点,与两点间最多几条内部不相交路,Menger 定理断言这两个数恒相等。

planar · Euler · Kuratowski · dual

平面图:Euler 公式、Kuratowski 与对偶

平面图把平面切成若干面,Euler 公式把点、边、面拴在一起并推出边数上界;Kuratowski 与 Wagner 给出不可平面的判据。

coloring · χ(G) · Vizing · 完美图

着色:顶点、边、列表与完美图

色数与贪心着色的 Δ+1 上界、团下界,边着色的 Vizing 定理,列表着色,以及 χ = ω 处处成立的完美图。

flow · max-flow min-cut · 群流

流:网络流、最大流-最小割与群流

在带容量的网络里沿残量网络找增广路,最大流恰等于最小割;它是 Menger 与 König 的共同祖先。

整体条件推出局部结构 extremal · Turán · 正则性引理

极值图论:边一多就躲不开的子结构

「边足够多的图,必然含某个固定子图」——这是极值图论的母题。Turán 定理给出不含 K_{r+1} 的图的最大边数,极图是均匀的完全多部图;单步加边看三角形在越过门槛的瞬间被迫出现。再眺望两座高峰:Hadwiger 猜想(χ ≥ t ⟹ 含 K_t 子式)与 正则性引理(任何稠密图都能切成近似随机的少数块)。

ramsey · R(s,t) · 鸽巢

Ramsey 理论:完全的混沌并不存在

结构大到一定程度,有序必然涌现。R(3,3)=6 的两面:K5 的构造给出下界,鸽巢论证给出上界。

hamilton · Dirac / Ore

Hamilton 圈:度数够高就一定绕得回来

判定 Hamilton 圈是 NP-完全的,但度数足够大即可保证存在:Dirac 的每点度不小于 n/2,Ore 的不相邻点度数之和不小于 n。

random · G(n,p) · 阈函数

随机图:概率方法与阈值现象

G(n,p) 每条边独立以概率 p 出现。许多性质在某个阈函数处从几乎必不骤变为几乎必然,巨型分支的涌现即一例。

现代结构理论 infinite · ray · end · 拓扑圈空间

无限图:射线、末端与拓扑圈空间

顶点无穷多时,射线刻画通往无穷的方向,等价的射线归并成末端;把末端补进去得到的紧空间让若干有限图定理重新成立。

minor · 树宽 · Robertson–Seymour

图子式理论:树宽与图子式定理

树分解把图摊到一棵树上,树宽量度它离树有多远;图子式定理断言 minor 关系是良拟序,禁用子式清单必然有限。

这套体系为什么这样分层

四层不是并列的目录,而是提问方式在升级。基础语言定义对象;经典结构问「这张图里有没有某种好结构 (匹配 / 流 / 平面嵌入 / 着色)」,答案常以一对对偶量相等的形式出现 (Hall、König、Menger、最大流-最小割其实是同一族定理);整体推局部反过来问「只给一个整体参数 (边数 / 度数 / 随机性),能否强制某个局部子结构出现」;现代结构理论则追问图类本身的序与分解。越往后,越从「算某张图」转向「理解所有图构成的空间」。

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