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二分图

什么叫二部图?二分图的充要条件

admin admin 发表于2022-09-06 18:57:04 浏览108 评论0

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什么叫二部图


二部图又称双分图、二分图,偶图,指顶点可以分成两个不相交的集使得在同一个集内的顶点不相邻(没有共同边)的图。
  图G=《V,E》,如果V1∪V2=V,V1∩V2=Φ,对于每个(x,y)∈E,皆有x∈V1,y∈V2,或x∈V2,y∈V1,则称G为二部图 (或偶图)。

二分图的充要条件


无向图G为二分图的充分必要条件是,G至少有两个顶点,且其所有回路的长度均为偶数。
证先证必要性。
设G为二分图《X,E,Y》。由于X,Y非空,故G至少有两个顶点。若C为G中任一回路,令
C = (v0,v 1,v2,…,v l-1,v l = v0)
其中诸vi (i = 0,1,…,l)必定相间出现于X及Y中,不妨设
{v0,v2,v4,…,v l = v0} Í X
{v1,v3,v5,…,v l-1} Í Y
因此l必为偶数,从而C中有偶数条边。
再证充分性。
设G的所有回路具有偶数长度,并设G为连通图(不失一般性,若G不连通,则可对G的各连通分支作下述讨论)。
令G的顶点集为V,边集为E,现构作X,Y,使《X,E,Y》 = G。取v0ÎV,置
X = {v | v= v0或v到v0有偶数长度的通路}
Y = V-X
X显然非空。现需证Y非空,且没有任何边的两个端点都在X中或都在Y中。
由于|V|≥2并且G为一连通图,因此v0必定有相邻顶点,设为v1,那么v1ÎY;故Y不空。
设有边(u,v),使uÎX,vÎX。那么,v0到u有偶数长度的通路,或u = v0;v0到v有偶数长度的通路,或v = v0。无论何种情况,均有一条从v0到v0的奇数长度的闭路径,因而有从v0到v0的奇数长度的回路(因从闭路径上可能删去的回路长度总为偶数),与题设矛盾。故不可能有边(u,v)使u,v均在X中。
“没有任何边的两个端点全在Y中”的证明可仿上进行,请读者思考。


二分图匹配的例题


中、日、韩三个足球队进行比赛,已知A不是第一名,B不是韩国队,也不是第二名,第一名不是日本队,中国队第二.问A、B、C各代表哪国队?各是第几名?
我们先来降低难度.先只要求你判断出中、日、韩各是第几名(不必判断A、B、C).可以把中、日、韩各用一个点代表,列于上一行.第一、二、三名各用一个点代表,列于下一行,记为:
V1={中,日,韩},V2={第1名,第2名,第3名}.
V1中的点与V2中某一个点有肯定关系的,就画一条实线,如和②.否定关系的两点之间画一条虚线,如不是②;不是①.把已知条件不加任何推理地表现于图上.虚线2条,实线1条,共3条线.
现在,有两个明显的事实;第一,V1中每点有且只有一条实线与V2中相应点配对,V2中每点有且只有一条实线与V1中相应点配对.V1内部点之间不会有线相联结,V2内部点之间也不会有线相联结.第二,从V1(或V2)中某一个点,例如说a点如发出了一条实线向着V2(或V1)中某一个点,例如说x点,那么a点与V2(或V1)中其他点之间必然只能用虚线联结.(这是逻辑推理中的排它性)
由此,我们很容易将中、日、韩的名次判出.
这样的问题,抽象起来可归属于图论中称之为“二分图的匹配”问题.
图论的名词术语太多,这里不作详细定义,只是描述性介绍一下,大家以前在“一笔画”等讲中已初步接触.所谓二分图,就是顶点集合可以划分成两个部分,V=V1+V2,如V1有p个点,记为V1={v1,v2…,vp},V2有q个点,记为V2={vp+1,vp+2…,vp+q},而V1中任意一点,不会与V1中其他点联结,而只能与V2中某些点联结;V2也如此.大家看几个例.
一般的图记为G=(V,E),V是顶点集合,E是边(也可称为线)的集合.大家在哥尼斯堡七桥问题中已领略过这种抽象.现在的二分图是一类特殊的图,只不过顶点集V划分为两部分,而这只能“跨越”于V1中某个点和V2中另一个点.二分图的匹配问题,就是找一个边的集合,这些边之间都没有公共的端点.
关于二分图的匹配,要研究的是“最大匹配”,即找一个边最多的匹配.
就本讲开始引入的问题看,我们还没有解完,因为还有A、B、C三个代号到底如何归于中、日、韩三队的问题.一种解题办法,是把已判出的国籍和名次捆绑在一个顶点内,如(中2)、(韩1)、(日3),再和A、B、C构造一个新的二分图:
显然,推知B是(日3),因为B有2条虚线,而必然有1条实线,只能推出B与(日3)之间为实线.同理,(韩1)只能为C;剩下的唯一的情况留给了A为(中2).全部问题解决了.
再看最初的题目,如果你选择先判断中、日、韩和A、B、C三个代号之间的匹配关系,将会怎样呢?画一个图看,利用已知条件画出实、虚线.
只能利用B不是韩国队及中国队第二,B不是第二(因此B不是中国队)这样一些条件,题目中另二句话:A不是第一名,第一名不是日本队,这种否定关系之间,没有传递性,你不能判定A是不是日本队.因此根据已知条件所画的图中只有两条虚线,之后最多只能确定日、B之间为实线.所以对这样的二分图,无法找出合理的最大匹配.这方法使问题求解走进了死胡同.
那么你选择先判A、B、C和第一、第二、第三名之间的匹配关系,又会怎样呢?画一个图看.
现在也只有二条虚线,仍然无法找出最大匹配,或说解不唯一,对求解问题无助.
现在回过头来看,先找国别与名次之间的匹配,似乎有些“碰运气”,因为完全可以把题目改动,使先找国别与名次的匹配无法解决,例如叙述改为:
中、日、韩三足球队比赛,已知结果为:第1名不是A,第2名不是韩国队也不是B,A不是日本队,中国队为B,问A、B、C,和1、2、3名与各国队如何匹配?
细心读者发现,这只是把原题中A、B、C的地位与1、2、3名的地位互换而已.所以现在改动后的题目,再先抓“国别”和“名次”的匹配,就无法求解.
但是数学要求找出一种解一般问题的方法而不是“碰运气”,而且完全可以找一个例子,使得无论取国别与名次;或国别与代号(A,B,C);或代号与名次这三类二分图的匹配都无法求解,而必须找更广泛意义下的匹配才能解决,为此先介绍一般的三个因素一起考虑的“匹配”方法.
先结合前例,将国别用三个不同点表示于上方,三个名次点表示于左下方,三个代号点表示于右下方.用实线的肯定关系和虚线的否定关系把已知条件“翻译”于图上.-二分图


如何判断一个图是二分图


二分图:
指的是可以用两个不相交的集合表示该图的节点,然后该图的每一条边的端点分别位于这两个集合中。
判断二分图方法:
用染色法,把图中的点染成黑色和白色。
首先取一个点染成白色,然后将其相邻的点染成黑色,如果发现有相邻且同色的点,那么就退出,可知这个图并非二分图(一次bfs,O(n))。
匹配:选择若干条边,然后是任意两条边无公共点
树也算是一种特殊的二分图。
求树的最大匹配用树形dp
f[i,0]表示标号为i的点不选取所能获得的最大匹配数
f[i,1]表示标号为i的点选取所能获得的最大匹配数
f[i,0]=sigma{f[k,1],f[k,0]};(k,表示以i为父节点的点的标号)f[i,1]=sigma{f[k,1],f[k,0]}+1+f[j,0];{j表示与i相连的点,k是除j外的点}
存储图的方法用前向星
前向星的存取:{示例是以有向边为准}
read(x,y);{表示x,y中有一条边相连}
inc(tot);{tot表示目前边的总数}
e[tot]:=y;{表示第tot条边以y结尾}
pre[tot]:=last[x];{表示与第tot条边同起点的前一条边的位置}
last[x]:=tot;{目前以x为起点的最后一条边是tot}
tmp:=last[a];{目前要访问a}
while tmp《》0 do begin{表示还有边}
if not bl[e[tmp]] then dfs(e[tmp]);{表示当前访问的点之前没有被访问过}
tmp:=pre[tmp];
end;
-二分图

哪些现实问题涉及用二分图的思路来解决


应用就很多了,这也是二分图匹配最常考的了
最常见的就是两种题型吧,一个是题目里明确说了要匹配的,正常连边就可以
还有一个是二分图的一个转化模型,比如说放棋子,每行只能放一个,每列只能放一个这种的,那么我们可以把每一行当成左半部分的点,每一列当成右半部分的点,每个能放棋子的地方就把他的行向列连一条边就可以了,这样的题目也不少,比如说
P1263 宫廷守卫 上面的模型稍微变化一下就好了
[SCOI2015] 小凸玩矩阵 二分一下就好等等
然后还有一些其他的,比如说
[JSOI2016] 反质数序列判断质数,按奇偶性连边
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-二分图

二分图的辨析示例


区别二分图,关键是看点集是否能分成两个独立的点集。
上图中U和V构造的点集所形成的循环圈不为奇数,所以是二分图。
上图中U和V和W构造的点集所形成的的循环圈为奇数,所以不是二分图。


二分图判定


#include 《iostream》
#include 《cstring》
#include 《queue》
using namespace std;
int edge;
bool vis;
bool has;
int color; // 0 for white, 1 for black
int main() {
int N, M;
cin 》》 N 》》 M;
memset(edge, 0, sizeof(edge));
memset(vis, 0, sizeof(vis));
memset(has, 0, sizeof(has));
for (int i = 0; i 《 M; i++) {
int a, b;
cin 》》 a 》》 b;
has[a] = has[b] = 1;
edge[a][b] = edge[b][a] = 1;
}
bool flag = true;
int counts = 0;
for (int i = 1; flag && i 《= N; i++) {
if (vis[i] || !has[i]) continue;
queue《int》 q;
q.push(i);
vis[i] = true;
color[i] = 0;
counts++;
while (flag && !q.empty()) {
int temp = q.front();
q.pop();
for (int j = 1; j 《= N; j++) {
if (!edge[temp][j]) continue;
if (vis[j]) {
if (color[j] == color[temp]) {
flag = false;
break;
}
else {
continue;
}
}
vis[j] = true;
color[j] = 1 - color[temp];
counts += 1 - color[j];
q.push(j);
}
}
}
if (flag) {
cout 《《 “yes“ 《《 endl;
cout 《《 counts 《《 endl;
bool first = true;
for (int i = 1; i 《= N; i++) {
if (vis[i] == 1 && color[i] == 0) {
if (first) {
first = false;
}
else {
cout 《《 “ “;
}
cout 《《 i;
}
}
cout 《《 endl;
}
else {
cout 《《 “no“ 《《 endl;
}
// system(“pause“);
}
-二分图

二分图相关概念


二分图又称作二部图,是图论中的一种特殊模型。
设G=(V,E)是一个无向图,如果顶点V可分割为两个互不相交的子集(A,B),并且图中的每条边(i,j)所关联的两个顶点i和j分别属于这两个不同的顶点集(i
in
A,j
in
B),则称图G为一个二分图。
-二分图