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浅谈无向图双连通分量,命题及论证

浅谈无向图双连通分量,命题及论证

作者: kinoud | 来源:发表于2019-05-22 17:31 被阅读0次

对于一个连通图,如果任意两点至少存在两条“点不重复”的路径,则说这个图是点双连通的(一般简称双连通,biconnected),特别的,只有两个点一条边的图也是双连通图。

注:下面提到的G均是无向图

命题1 G是双连通图的充要条件是G的任意两条边都在同一个简单环内。

充分性。对于G中任意两点u v,取任意两条分别以它们为端点的边,它们在一个简单环内,从而u到v有两条点不重路径。
必要性。G是双连通的,假设存在边u1-v2和边u2-v2不同时存在于任何一个简单环内,那么u1到u2的每一条路径与v1到v2的每一条路径必两两有交。由于G双连通,v1到v2存在不交的两条路径p q,则u1到u2的每一条路径都与p q有交,如此从u1出发必然存在某条路径在不经过q(p)的情况下到达p(q),从u2出发也是同理,那么所有的情况见下图,我们发现,总能够找到一个同时包含u1-v1 u2-v2的简单环。

命题2 G是双连通图的充要条件是G中无割顶(割点)。

必要性显然。
充分性。要证明G中无割点则G双连通,只需证若G不双连通,则G有割点。若G不是双连通的,那么存在两点u v使得每一条u到v的路径两两有交,我们证明这些交点中,必有一个是所有这些路径的公共交点。
对u v之间所有路径产生的交点总个数n进行归纳。
①若n=1,那么这唯一的一点就是所有路径的公共点。
②假设n=k时命题成立。考虑n=k+1的情形:任选一个交点x,如若它是所有路径的公共点,那么命题成立,否则至少存在一条u v间路径p不经过x,现将x从每一条u v间路径中删去,再添加一些边,使得每一条路径上x前后的两个点直接相连,如果这样处理后,所有的路径两两都有交,那么根据归纳假设,必存在一个公共点,若不是两两路径都有交,则至少存在两条路径h1、h2无交点,这说明x是h1和h2唯一的交点。现在我们考虑p、h1、h2这三条路径。由于p不经过x,那么p中必然有一段p*连接了x左右两边,且这一段本身不和h1或h2相交,那么所有情况如下图所示,如此我们总能找到两条完全不交的u v路径,这与我们的假设“u v间任意路径两两相交”是矛盾的。至此我们分析了所有的分支,这些分支要么能推出命题成立,要么自相矛盾,从而我们证明了对于n=k+1命题也成立。

命题3 G是双联通图的充要条件是对于G中任意三点a b c都存在一条a出发c结束中间经过b的简单路径。

充分性。对于G中任意两点u v,再取与u相邻的一个点a,则存在a出发u结束中间经过v的简单路径a-p1-v-p2-u,p1和p2分别是一条路径,那么u-a-p1-v和u-p2-v显然是两条不相交的u v路径。
必要性证明同命题1,略。

命题4 G的两个bcc(biconnected component,双连通分量)最多只有一个公共点,且这个点是割顶。

若G的两个bcc有两个或以上的公共点,那么这些公共点必不是割顶,根据命题2,这两个bcc的并也是一个bcc,因为其中不含割顶。如果它们的唯一公共点不是割顶,那么也可以合并。

命题5 G的每一条边恰好属于一个bcc。

对于任意边e,由命题4知它不可能属于多个bcc,如若它不属于任何一个包含更多边的bcc,那么根据定义,它自己也是一个bcc。

命题6 连通图G的所有bcc以树的形式连接起来。

假设G含有n个bcc,将每个bcc视为结点,将连接两个bcc的割顶视为边得到图G,G显然是连通的,且无环,否则环上的割顶在G中也必成环,这是不可能的,因而G*无环连通,是一棵树。

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