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 Path 与 MST。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 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 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。
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。
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。
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
相关链接
- Reinhard Diestel — Graph Theory diestel-graph-theory.com 本系列分层骨架所本的标准研究生教材;作者主页提供电子版与勘误。
- Wikipedia — Graph theory en.wikipedia.org 术语、定理与历史的索引式总览,适合按词条对照本系列各页。
- Shortest Path · Dijkstra 本站 图上的算法侧:relaxation 与单步 settle,与本系列的「流 / 连通性」互为补充。
- Minimum Spanning Tree · Prim / Kruskal 本站 生成树与切分定理的算法实现,正好对照本系列「基础语言」里的 tree / cut。