哥尼斯堡七桥问题[欧拉图]

一、历史背景

欧拉证明了这种走法是 不可能的。

首先能想到的证明方法是把走七座桥的走法都列出来,一个一个的试验,但七座桥的所有走法共用\(7!=5040种\),逐一试验将是很大的工作量。欧拉作为数学家,当然没那样想。欧拉把两座岛和河两岸抽象成顶点,每一座桥抽象成连接顶点的一条边,那么哥尼斯堡的七座桥就抽象成下面的图:

假设每座桥都恰好走过一次,那么对于\(A、B、C、D\)四个顶点中的每一个顶点,需要从某条边进入,同时从另一条边离开。进入和离开顶点的次数是相同的,即每个顶点有多少条进入的边,就有多少条出去的边,也就是说,每个顶点相连的边是成对出现的,即每个顶点的相连边的数量必须是 偶数 。

而上图中\(A、C、D\)四个顶点的相连边都是\(3\),顶点\(B\)的相连边为\(5\),都为 奇数。因此,这个图无法从一个顶点出发,遍历每条边各一次。

二、相关的概念和定理

欧拉图、欧拉路径/回路

如果在一张图(有向图或无向图)上能够不重复地遍历完所有的边,那么此图就称为欧拉图

能够不重复地遍历完所有的边的路径——即一笔画的“笔画”,称为欧拉路径

特别地,如果上述路径的起点与终点相同,则称为欧拉回路

如下\(gif\)所示的图就是欧拉图,存在一个欧拉路径。

下图是一笔画成的 串 字,也就是说烧烤店门口挂的这个字可以用单条\(LED\)灯带做成。

那么柯尼斯堡七桥问题为什么不能 一笔画 呢?来看看欧拉提出的定理:

欧拉定理

欧拉同时考虑到了有向图与无向图的情况,因此要分别讨论。

无向图的情况

定理:

连通无向图\(G\)有欧拉路径的充要条件为:\(G\)中奇度顶点(即与其相连的边数目为奇数的顶点)有\(0\)个或者\(2\)个。

证明:

可知,柯尼斯堡七桥问题中的图有\(4个\)奇度顶点(\(1\)个度数为\(5\),\(3\)个度数为\(3\)),所以不存在欧拉路径。

有向图的情况

定理:

底图连通的有向图\(G\)有欧拉路径的充要条件为:

1、\(G\)的所有顶点入度和出度都相等;

2、或者只有两个顶点的入度和出度不相等,且其中一个顶点的出度与入度之差为\(1\),另一个顶点的入度与出度之差为\(1\)。

证明:略

欧拉定理介绍完了,那么如何找到具体的路径呢?

寻找欧拉路径/回路

判断图的连通性,非连通图是不存在欧拉路径/回路的。

判断图的连通性可以通过传统的\(DFS\)和\(BFS\)方法,也可以通过之前讲过的并查集实现,另外还有基于传递闭包的\(Floyd\)-\(Warshall\)算法(没错就是求最短路的那个),不再赘述。

图的连通性判断链接

判断是否欧拉路径/回路

如果图是连通的,我们再遍历每个顶点的度(有向图就是入度和出度),根据欧拉定理即可轻松地判断图中是否欧拉路径/回路。

找出路径的起点和终点

如果是欧拉路径的话,还能顺便找出路径的起点和终点。

#include

using namespace std;

const int N = 26;

int ind[N]; //入度

/**

测试数据:

欧拉图

4 4

1 2

2 3

3 4

4 1

非欧拉图

4 4

1 2

2 3

3 4

1 4

*/

struct Edge { //记录边的终点,边权的结构体

int to; //终点

int value; //边权

};

int n, m; //表示图中有n个点,m条边

vector p[N]; //使用vector的邻接表

int cnt, start;

int main() {

//利用邻接表建图

cin >> n >> m;

//m条边

for (int i = 1; i <= m; i++) {

int u, v; //点u到点v有一条权值为l的边

cin >> u >> v;

p[u].push_back({v, 1});

//维护入度

ind[v]++;

}

//判断是不是欧拉图

//出度与入度的数字关系

for (int i = 1; i <= n; i++) {

//计算每个结点的出度与入度的差

int k = p[i].size() - ind[i]; //出度不需要单独维护

//出度与入度差大于1,则肯定不是欧拉图

if (abs(k) > 1) {

cout << "No";

return 0;

}

//如果差是1,那么需要检查是不是2个,2个才是一个入口点,一个出口点

if (abs(k) == 1) {

//记录个数

cnt++;

//如果出度比入度大1,记录下起点是哪个结点

if (k == 1) start = i;

}

}

//如果不是0也不是2,那么不是欧拉图

if (cnt != 0 && cnt != 2) {

cout << "No";

return 0;

}

//欧拉图

cout << "Yes" << endl;

if (start) cout << "出发点:" << start << endl;

else cout << "任意点都可以是出发点!" << endl;

return 0;

}

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