Giáo trình Toán rời rạc - Chương III: Đồ thị

hu trình gọi là đơn nếu nó không chứa cùng một cạnh (hoặc cung) quá một lần. Một đường đi hoặc chu trình không đi qua đỉnh nào quá một lần (trừ đỉnh đầu và đỉnh cuối của chu trình là trùng nhau) được gọi là đường đi hoặc chu trình sơ cấp. Rõ ràng rằng một đường đi (t.ư. chu trình) sơ cấp là đường đi (t.ư. chu trình) đơn.
w
u
v
z
y
x
Thí dụ 17:
	Trong đơn đồ thị trên, x, y, z, w, v, y là đường đi đơn (không sơ cấp) độ dài 5; x, w, v, z, y không là đường đi vì (v, z) không là cạnh; y, z, w, x, v, u, y là chu trình sơ cấp độ dài 6.
3.6.2. Định nghĩa: Một đồ thị (vô hướng) được gọi là liên thông nếu có đường đi giữa mọi cặp đỉnh phân biệt của đồ thị.
	Một đồ thị không liên thông là hợp của hai hay nhiều đồ thị con liên thông, mỗi cặp các đồ thị con này không có đỉnh chung. Các đồ thị con liên thông rời nhau như vậy được gọi là các thành phần liên thông của đồ thị đang xét. Như vậy, một đồ thị là liên thông khi và chỉ khi nó chỉ có một thành phần liên thông.
a
z
x
Thí dụ 18: 
k
g
b
u
t
y
l
h
i
c
d
w
v
 G G’
Đồ thị G là liên thông, nhưng đồ thị G’ không liên thông và có 3 thành phần liên thông.
3.6.3. Định nghĩa: Một đỉnh trong đồ thị G mà khi xoá đi nó và tất cả các cạnh liên thuộc với nó ta nhận được đồ thị con mới có nhiều thành phần liên thông hơn đồ thị G được gọi là đỉnh cắt hay điểm khớp. Việc xoá đỉnh cắt khỏi một đồ thị liên thông sẽ tạo ra một đồ thị con không liên thông. Hoàn toàn tương tự, một cạnh mà khi ta bỏ nó đi sẽ tạo ra một đồ thị có nhiều thành phần liên thông hơn so với đồ thị xuất phát được gọi là cạnh cắt hay là cầu.
z
v
x
Thí dụ 19: 
t
u
s
w
y
	Trong đồ thị trên, các đỉnh cắt là v, w, s và các cầu là (x,v), (w,s).
3.6.4. Mệnh đề: Giữa mọi cặp đỉnh phân biệt của một đồ thị liên thông luôn có đường đi sơ cấp.
Chứng minh: Giả sử u và v là hai đỉnh phân biệt của một đồ thị liên thông G. Vì G liên thông nên có ít nhất một đường đi giữa u và v. Gọi x0, x1, ..., xn, với x0=u và xn=v, là dãy các đỉnh của đường đi có độ dài ngắn nhất. Đây chính là đường đi sơ cấp cần tìm. Thật vậy, giả sử nó không là đường đi đơn, khi đó xi=xj với 0 £ i < j. Điều này có nghĩa là giữa các đỉnh u và v có đường đi ngắn hơn qua các đỉnh x0, x1, ..., xi-1, xj, ..., xn nhận được bằng cách xoá đi các cạnh tương ứng với dãy các đỉnh xi, ..., xj-1.
3.6.5. Mệnh đề: Mọi đơn đồ thị n đỉnh (n ³ 2) có tổng bậc của hai đỉnh tuỳ ý không nhỏ hơn n đều là đồ thị liên thông.
Chứng minh: Cho đơn đồ thị G=(V,E) có n đỉnh (n ³ 2) và thoả mãn yêu cầu của bài toán. Giả sử G không liên thông, tức là tồn tại hai đỉnh u và v sao cho không có đường đi nào nối u và v. Khi đó trong đồ thị G tồn tại hai thành phần liên thông là G1 có n1 đỉnh và chứa u, G2 chứa đỉnh v và có n2 đỉnh. Vì G1, G2 là hai trong số các thành phần liên thông của G nên n1+n2 £ n. ta có:
deg(u)+deg(v) £ (n1 -1)+(n2 - 1) = n1+n2-2 £ n-2 <n.
Điều mâu thuẫn ở trên dẫn đến kết luận là đồ thị G phải liên thông.
3.6.6. Hệ quả: Đơn đồ thị mà bậc của mỗi đỉnh của nó không nhỏ hơn một nửa số đỉnh là đồ thị liên thông.
3.6.7. Mệnh đề: Nếu một đồ thị có đúng hai đỉnh bậc lẻ thì hai đỉnh này phải liên thông, tức là có một đường đi nối chúng.
Chứng minh: Cho G=(V,E) là đồ thị thị có đúng hai đỉnh bậc lẻ là u và v. Giả sử u và v không liên thông với nhau. Khi đó chúng phải thuộc hai thành phần liên thông nào đó của đồ thị G, G1 chứa u và G2 chứa v.
	Bậc của đỉnh u trong G1 cũng chính là bậc của u trong G, nên trong G1 đỉnh u vẫn có bậc lẻ và G1 có duy nhất một đỉnh bậc lẻ. Điều này mâu thuẫn. Vậy hai đỉnh u và v phải liên thông.
3.6.8. Mệnh đề: Cho G=(V,E) là một đồ thị liên thông. Khi đó một đỉnh của G là điểm khớp khi và chỉ khi trong G tồn tại hai đỉnh u và v sao cho mỗi đường đi nối u và v đều phải đi qua đỉnh này.
Chứng minh: Điều kiện cần: Giả sử đỉnh x là điểm khớp trong đồ thị G. Khi đó đồ thị con G1 của G nhận được bằng cách xoá x và các cạnh liên thuộc với nó là không liên thông. Giả sử G2, G3 là hai trong các thành phần liên thông của G1. Lấy u là đỉnh trong G2 và v là đỉnh trong G3. Do u, v thuộc hai thành phần liên thông khác nhau, nên trong G1 các đỉnh u, v không liên thông. Nhưng trong G các đỉnh u, v lại liên thông, nên mọi đường đi nối u, v đều phải đi qua đỉnh x.
Điều kiện đủ: Giả sử mọi đường đi nối u, v đều đi qua đỉnh x, nên nếu bỏ đỉnh x và các cạnh liên thuộc với x thì đồ thị con G1 nhận được từ G chứa hai đỉnh u, v không liên thông. Do đó G1 là đồ thị không liên thông hay đỉnh x là điểm khớp của G.
3.6.9. Định lý: Cho G là một đơn đồ thị có n đỉnh, m cạnh và k thành phần liên thông. Khi đó 
.
Chứng minh: Bất đẳng thức được chứng minh bằng quy nạp theo m. Nếu m=0 thì k=n nên bất đẳng thức đúng. Giả sử bất đẳng thức đúng đến m-1, với m ³ 1. Gọi G’ là đồ thị con bao trùm của G có số cạnh m0 là nhỏ nhất sao cho nó có k thành phần liên thông. Do đó việc loại bỏ bất cứ cạnh nào trong G’ cũng tăng số thành phần liên thông lên 1 và khi đó đồ thị thu được sẽ có n đỉnh, k+1 thành phần liên thông và m0-1 cạnh. Theo giả thiết quy nạp, ta có m0-1 ³ n-(k+1) hay m0 ³ n-k. Vậy m ³ n-k.
	Bổ sung cạnh vào G để nhận được đồ thị G’’ có m1 cạnh sao cho k thành phần liên thông là những đồ thị đầy đủ. Ta có m £ m1 nên chỉ cần chứng minh
m1 £ .
Giả sử Gi và Gj là hai thành phần liên thông của G’’ với ni và nj đỉnh và ni ³ nj >1 (*). Nếu ta thay Gi và Gj bằng đồ thị đầy đủ với ni+1 và nj-1 đỉnh thì tổng số đỉnh không thay đổi nhưng số cạnh tăng thêm một lượng là:
.
Thủ tục này được lặp lại khi hai thành phần nào đó có số đỉnh thoả (*). Vì vậy m1 là lớn nhất (n, k là cố định) khi đồ thị gồm k-1 đỉnh cô lập và một đồ thị đầy đủ với n-k+1 đỉnh. Từ đó suy ra bất đẳng thức cần tìm.
3.6.10. Định nghĩa: Đồ thị có hướng G được gọi là liên thông mạnh nếu với hai đỉnh phân biệt bất kỳ u và v của G đều có đường đi từ u tới v và đường đi từ v tới u.
	Đồ thị có hướng G được gọi là liên thông yếu nếu đồ thị vô hướng nền của nó là liên thông.
	Đồ thị có hướng G được gọi là liên thông một chiều nếu với hai đỉnh phân biệt bất kỳ u và v của G đều có đường đi từ u tới v hoặc đường đi từ v tới u.
u
Thí dụ 20: 
w
v
x
t
w
x
u
t
y
v
s
y
s
 G G’
	Đồ thị G là liên thông mạnh nhưng đồ thị G’ là liên thông yếu (không có đường đi từ u tới x cũng như từ x tới u).
3.6.11. Mệnh đề: Cho G là một đồ thị (vô hướng hoặc có hướng) với ma trận liền kề A theo thứ tự các đỉnh v1, v2, ..., vn. Khi đó số các đường đi khác nhau độ dài r từ vi tới vj trong đó r là một số nguyên dương, bằng giá trị của phần tử dòng i cột j của ma trận Ar.
Chứng minh: Ta chứng minh mệnh đề bằng quy nạp theo r. Số các đường đi khác nhau độ dài 1 từ vi tới vj là số các cạnh (hoặc cung) từ vi tới vj, đó chính là phần tử dòng i cột j của ma trận A; nghĩa là, mệnh đề đúng khi r=1.
	Giả sử mệnh đề đúng đến r; nghĩa là, phần tử dòng i cột j của Ar là số các đường đi khác nhau độ dài r từ vi tới vj. Vì Ar+1=Ar.A nên phần tử dòng i cột j của Ar+1 bằng
bi1a1j+bi2a2j+ ... +binanj,
trong đó bik là phần tử dòng i cột k của Ar. Theo giả thiết quy nạp bik là số đường đi khác nhau độ dài r từ vi tới vk.
	Đường đi độ dài r+1 từ vi tới vj sẽ được tạo nên từ đường đi độ dài r từ vi tới đỉnh trung gian vk nào đó và một cạnh (hoặc cung) từ vk tới vj. Theo quy tắc nhân số các đường đi như thế là tích của số đường đi độ dài r từ vi tới vk, tức là bik, và số các cạnh (hoặc cung) từ vk tới vj, tức là akj. Cộng các tích này lại theo tất cả các đỉnh trung gian vk ta có mệnh đề đúng đến r+1.
BÀI TẬP CHƯƠNG III:
1. Cho G là đồ thị có v đỉnh và e cạnh, còn M, m tương ứng là bậc lớn nhất và nhỏ nhất của các đỉnh của G. Chứng tỏ rằng
m £ £ M.
Chứng minh rằng nếu G là đơn đồ thị phân đôi có v đỉnh và e cạnh, khi đó 
e £ v2/4.
3. Trongmột phương án mạng kiểu lưới kết nối n=m2 bộ xử lý song song, bộ xử lý P(i,j) được kết nối với 4 bộ xử lý (P(i±1) mod m, j), P(i, (j±1) mod m), sao cho các kết nối bao xung quanh các cạnh của lưới. Hãy vẽ mạng kiểu lưới có 16 bộ xử lý theo phương án này.
Hãy vẽ các đồ thị vô hướng được biểu diễn bởi ma trận liền kề sau:
a) , b) , c) .
5. Nêu ý nghĩa của tổng các phần tử trên một hàng (t.ư. cột) của một ma trận liền kề đối với một đồ thị vô hướng ? Đối với đồ thị có hướng ?
6. Tìm ma trận liền kề cho các đồ thị sau:
Kn ,	b) Cn,	c) Wn , 	 d) Km,n , 	 e) Qn.
7. Có bao nhiêu đơn đồ thị không đẳng cấu với n đỉnh khi:
a) n=2,	b) n=3,	c) n=4.
8. Hai đơn đồ thị với ma trận liền kề sau đây có là đẳng cấu không?
, .
9. Hai đơn đồ thị với ma trận liền kề sau đây có là đẳng cấu không?
, .
v3
v1
10. Các đồ thị G và G’ sau có đẳng cấu với nhau không?
u1
v6
u1
a) 
v4
v2
u2
u3
v5
u4
u3
u5
u2
u6
u5
v5
v2
v1
u4
b)
v4
v3
v6
u6
11. Cho V={2,3,4,5,6,7,8} và E là tập hợp các cặp phần tử (u,v) của V sao cho u<v và u,v nguyên tố cùng nhau. Hãy vẽ đồ thị có hướng G=(V,E). Tìm số các đường đi phân biệt độ dài 3 từ đỉnh 2 tới đỉnh 8.
12. Hãy tìm số đường đi độ dài n giữa hai đỉnh liền kề (t.ư. không liền kề) tùy ý trong K3,3 với mỗi giá trị của n sau:
a) n=2,	b) n=3,	c) n=4,	 d) n=5.
14. Một cuộc họp có ít nhất ba đại biểu đến dự. Mỗi người quen ít nhất hai đại biểu khác. Chứng minh rằng có thể xếp được một số đại biểu ngồi xung quanh một bàn tròn, để mỗi người ngồi giữa hai người mà đại biểu đó quen.
15. Một lớp học có ít nhất 4 sinh viên. Mỗi sinh viên thân với ít nhất 3 sinh viên khác. Chứng minh rằng có thể xếp một số chẵn sinh viên ngồi quanh một cái bàn tròn để mỗi sinh viên ngồi giữa hai sinh viên mà họ thân.
16. Trong một cuộc họp có đúng hai đại biểu không quen nhau và mỗi đại biểu này có một số lẻ người quen đến dự. Chứng minh rằng luôn luôn có thể xếp một số đại biểu ngồi chen giữa hai đại biểu nói trên, để mỗi người ngồi giữa hai người mà anh ta quen.
17. Một thành phố có n (n ³ 2) nút giao thông và hai nút giao thông bất kỳ đều có số đầu mối đường ngầm tới một trong các nút giao thông này đều không nhỏ hơn n. Chứng minh rằng từ một nút giao thông tuỳ ý ta có thể đi đến một nút giao thông bất kỳ khác bằng đường ngầm.