第-2-章-图论基础.ppt

图“节点”，以及哪些节点之间有“边”第1页/共22页作为一个数学概念的“图”（graph）节点，边（圆括号表示（节点，边（圆括号表示（x,y）中的元素次序无关）中的元素次序无关）标号图（标号图（labeled graph），无标号图（），无标号图（graph）同构，异构同构，异构第2页/共22页（不一样的）图的个数（枚举）给定节点数（给定节点数（n）标号图？标号图？无标号图？无标号图？Polya定理告诉我们如何计算无标号图的个数定理告诉我们如何计算无标号图的个数如何判断两个图是否如何判断两个图是否“同构同构”依然是图论的最基本依然是图论的最基本挑战之一挑战之一第3页/共22页无标号图的个数第4页/共22页无向图，有向图（directed graph）也可以是标号或者无标号的也可以是标号或者无标号的和和有可能同时存在有可能同时存在第5页/共22页路，距离，连通，连通分量路（路（path，路径，通路）：节点序列，相邻，路径，通路）：节点序列，相邻两个节点之间存在一条边两个节点之间存在一条边长度：节点数减长度：节点数减1；或者，所涉及边的条数；或者，所涉及边的条数简单路径，回路（仅端点相同的路径）简单路径，回路（仅端点相同的路径）距离：两个节点之间最短路径的长度距离：两个节点之间最短路径的长度连通图：任何两个节点之间都存在一条路连通图：任何两个节点之间都存在一条路连通分量连通分量1.1.连通子图连通子图2.2.不被真包含在任何其他连通子图中不被真包含在任何其他连通子图中第6页/共22页例子：路，距离，连通分量节点节点I和和M之间有多之间有多少不同的路？少不同的路？有多少不同的简单有多少不同的简单路径？路径？它们之间的距离？它们之间的距离？(A,B,(A,B)是不是不是连通分量？是连通分量？(H,L,M,(H,L),(L,M),(H,M)是不是连是不是连通分量？通分量？第7页/共22页大规模社会网络中的超大连通分量第8页/共22页桥，捷径（local bridge）桥：具有特别性质的边，桥：具有特别性质的边，删除它，其两个端点之删除它，其两个端点之间就不再有路间就不再有路删除它，增加图的连通删除它，增加图的连通分量的个数分量的个数捷径：也是一种边，删捷径：也是一种边，删除它，其两个端点之间除它，其两个端点之间的距离至少为的距离至少为3。桥可以看成是捷径的一桥可以看成是捷径的一个特例个特例第9页/共22页对于有向图：有向路径，强连通分量有向路径：节点序列，有向路径：节点序列，相邻节点之间有从前往相邻节点之间有从前往后的有向边后的有向边强连通分量强连通分量(1)(1)任意两个节点之间存在任意两个节点之间存在有向路径（两个方向）有向路径（两个方向）的有向子图的有向子图(2)(2)不被真包含在任何其他不被真包含在任何其他满足性质满足性质(1)的子图中的子图中(B,C,D,)第10页/共22页二部图，图上的广度优先搜索二部图（二部图（bipartite graph）：节点可以）：节点可以被分成两组，组内没被分成两组，组内没有边有边图上的广度优先搜索图上的广度优先搜索（breadth-first search）从某一点开始，对图从某一点开始，对图的节点的一种的节点的一种“遍历遍历”方式方式第11页/共22页从LINC开始广度优先搜索LINCMIT,CASECARN,BBN,UTAHHARV,SDC,RAND,SRIUCSB,UCLA,STANBFS从概念上对图中的节点进行从概念上对图中的节点进行了一个了一个“分层分层”，所涉及到的边，所涉及到的边“自然形成了自然形成了”一个二部图一个二部图第12页/共22页典型现实网络（图）合作图合作图例如，一群学者之间合著关系（例如，一群学者之间合著关系（co-authorship）节点：人；边：当且仅当两个人有合著的文章节点：人；边：当且仅当两个人有合著的文章交流网交流网例如，一所大学师生之间的电子邮件关系网例如，一所大学师生之间的电子邮件关系网节点：人；边：两人之间发过一定量的往返邮件节点：人；边：两人之间发过一定量的往返邮件信息链接网（有向）信息链接网（有向）万维网上的网页之间的链接关系万维网上的网页之间的链接关系论文之间的引用关系论文之间的引用关系第13页/共22页网络数据的计算机表示邻接矩阵（邻接矩阵（adjacency matrix）相邻节点列表相邻节点列表关联矩阵（关联矩阵（incidence matrix）边序列边序列相邻节点列表相邻节点列表1：2,3,42：1,43：1,44：1,2,3边序列边序列1,21,31,42,43,4第14页/共22页图的展示与分析工具现实应用中，图一般都是首先从描述节点现实应用中，图一般都是首先从描述节点和边的数据而来和边的数据而来根据那些数据，适当地给出一个根据那些数据，适当地给出一个“形象表形象表示示”（即画出一个图），常常是很有必要（即画出一个图），常常是很有必要的；而根据那些数据，得出某些结论更是的；而根据那些数据，得出某些结论更是网络分析所追求的目标网络分析所追求的目标为此，人们开发了许多工具为此，人们开发了许多工具Pajek,UCINET,NetMiner,MultiNet,X-Rime，等Cuttlefish，一个简单易用工具的例子一个简单易用工具的例子第15页/共22页小结网络无处不在，行行网络无处不在，行行色色，对社会影响巨大色色，对社会影响巨大网络作为一门课程学习的两个重要角度：网络作为一门课程学习的两个重要角度：结结构构、行为行为；它们不同但相互影响。；它们不同但相互影响。图论：讨论网络结构的语言图论：讨论网络结构的语言作业作业不用交的：阅读不用交的：阅读第第1章，章，第第2章；基于章；基于教材中的教材中的插图插图2.3，以，以UCLA为起始节点（根节点）画出该为起始节点（根节点）画出该图图的宽度优先搜索结果的宽度优先搜索结果下次课前交的：上网搜索，找到下次课前交的：上网搜索，找到3个不同类型的个不同类型的网络图及其简单说明；第网络图及其简单说明；第2章章练习练习2.1第16页/共22页练习2.1 图论作为有效建模工具的原因之一在于它的灵活性。许多图论作为有效建模工具的原因之一在于它的灵活性。许多大型系统都可以用图论语言来概括其性质，进而系统地研究其大型系统都可以用图论语言来概括其性质，进而系统地研究其影响结果。在这第一个练习中，我们利用影响结果。在这第一个练习中，我们利用关键节点关键节点的概念，通的概念，通过一个例子来考察这个过程。过一个例子来考察这个过程。首先，第首先，第2章所讲的两节点间最短路径对应该节点间的最短章所讲的两节点间最短路径对应该节点间的最短距离。对于节点距离。对于节点Y和和Z，若，若X存在于存在于Y和和Z之间所有最短路径上，之间所有最短路径上，则称则称X为为Y和和Z间的间的关键节点关键节点（假定（假定X是不同于是不同于Y或或Z的节点）。的节点）。例如，在图例如，在图2.13中，节点中，节点B是节点是节点A和和C之间、之间、A和和D之间的关之间的关键节点（注意：键节点（注意：B并不是节点并不是节点D和和E之间的关键节点，因为之间的关键节点，因为D和和E间存在两条不同的最短路径，而其中的一条（包含间存在两条不同的最短路径，而其中的一条（包含C和和F）并不）并不通过通过B。由此可见，。由此可见，B并不存在于并不存在于D和和E之间的之间的所有所有最短路径上）最短路径上）。此外，我们能看到节点。此外，我们能看到节点D不是图中任意两个节点之间的关键不是图中任意两个节点之间的关键节点。节点。第17页/共22页练习2.1（续）（1）请举一个图例，使其满足以下条件：）请举一个图例，使其满足以下条件：该图中每个节点均为至少一个节点对的关该图中每个节点均为至少一个节点对的关键节点。请就你的答案给出解释。键节点。请就你的答案给出解释。（2）请举一个图例，使其满足以下条件：）请举一个图例，使其满足以下条件：该图中每个节点均为至少两个节点对的关该图中每个节点均为至少两个节点对的关键节点。请就你的答案给出解释。键节点。请就你的答案给出解释。（3）请举一个图例，满足以下条件：该图）请举一个图例，满足以下条件：该图中包含至少中包含至少4个节点，并存在一个节点个节点，并存在一个节点X，它是图中所有节点对的关键节点（不包括它是图中所有节点对的关键节点（不包括含含X的节点对）。请就你的答案给出解释。的节点对）。请就你的答案给出解释。第18页/共22页第19页/共22页第20页/共22页第21页/共22页练习2.3 当我们试图就一个图的节点间的距离寻找一个单一的综合当我们试图就一个图的节点间的距离寻找一个单一的综合衡量指标时，有两个自然的量值得考虑。一个是衡量指标时，有两个自然的量值得考虑。一个是直径直径，我们，我们定义它为图中所有两节点之间距离的最大值；另一个是定义它为图中所有两节点之间距离的最大值；另一个是平均平均距离距离，我们定义它为图中所有节点对距离的平均值。，我们定义它为图中所有节点对距离的平均值。在许多图中，上述两个量在数值上的差别不大。但在有些在许多图中，上述两个量在数值上的差别不大。但在有些图中它们则可能差的很远。图中它们则可能差的很远。（1）请给出一个直径比平均距离大三倍的图例；）请给出一个直径比平均距离大三倍的图例；（2）请根据你解答问题）请根据你解答问题(1)的方法，说明你可以通过改变某一的方法，说明你可以通过改变某一特定因数的大小，来控制直径比平均距离大的倍数。（换句特定因数的大小，来控制直径比平均距离大的倍数。（换句话说，对于任意数字话说，对于任意数字c，你能否构造一个图，使其直径比平均，你能否构造一个图，使其直径比平均距离大距离大c倍？）倍？）第22页/共22页