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《计算机数学基础(1)》第四单元辅导 本单元重点:欧拉图和哈密顿图、平面图和树的基本概念. 代数运算及性质,群的概念,交换群和循环群. 一、重点内容 1. 欧拉图 h 欧拉通路(回路)与欧拉图 通过图G的每条边一次且仅一次,而且走遍每个结点的通路(回路),就是欧拉通路(回路). 存在欧拉回路的图就是欧拉图. 欧拉回路要求边不能重复,结点可以重复. 笔不离开纸,不重复地走完所有的边,且走过所有结点,就是所谓的一笔画. h欧拉图或通路的判定 (1) 无向连通图G是欧拉图ÛG不含奇数度结点(G的所有结点度数为偶数):(定理1) (2) 非平凡连通图G含有欧拉通路ÛG最多有两个奇数度的结点;(定理1的推论) (3) 连通有向图D含有有向欧拉回路(即欧拉图)ÛD中每个结点的入度=出度 连通有向图D含有有向欧拉通路ÛD中除两个结点外,其余每个结点的入度=出度,且此两点满足deg-(u)-deg+(v)=±1. (定理2) 2. 哈密顿图 h哈密顿通路(回路)与哈密顿图 通过图G的每个结点一次,且仅一次的通路(回路),就是哈密顿通路(回路). 存在哈密顿回路的图就是哈密顿图. 判断哈密顿图是较为困难的. h哈密顿图的充分条件和必要条件 (1) 在无向简单图G=<V,E>中½V½³3,任意不同结点,则G是哈密顿图.(充分条件,定理4) (2) 有向完全图D=<V,E>, 若,则图D是哈密顿图. (充分条件,定理5推论) (3) 设无向图G=<V,E>,"V1ÌV,则P(G-V1)£½V1½(必要条件,定理3) 若此条件不满足,即$V1ÌV,使得P(G-V!)>½V1½,则G一定不是哈密顿图(非哈密顿图的充分条件). 3.平面图 h 平面图 一个图能画在平面上,除结点之外,再没有边与边相交. 面、边界和面的次数 由连通平面图G的边围成的其内部不含G的结点和边的区域是面,常用r表示. 围成面的各边组成的回路是边界. 边界回路的长度是面的次数,记作deg(r). h重要结论 (1)平面图(所有面的次数之和=边的2倍)(定理6). (2)欧拉公式:平面图 面数为r,则(结点数与面数之和=边数+2)(定理7) (3)平面图(定理8) h判定条件:图G是平面图的充分必要条件是G不含与K3,3或K5在2度结点内同构的子图. 4. 树 h树 连通无回路的无向图. h树的判别 图,T是树的充分必要条件是(六个等价定义) (定理14): (1) T是无回路的连通图; (2) 图T无回路且m=n-1; (3) 图T连通且m=n-1 (4) 图T无回路,若增加一条边,就得到一条且仅一条回路; (5) 图T连通,若删去任一边,G则不连通; (6) 图T的每一对结点之间有一条且仅有一条通路. h生成树 图G的生成子图是树,该树就是生成树. h权与带权图 n个结点的连通图G,每边指定一正数,称为权,每边带权的图称为带权图. G的生成树T的所有边的权之和是生成树T的权,记作W(T). h最小生成树 带权最小的生成树. h有向树 有向图删去边的方向为树,该有向图就是有向树. h根树与树根 非平凡有向树,恰有一个结点的入度为0(该结点为树根),其余结点的入度为1,该树为根树. h每个结点的出度小于或等于2的根树为二元树(二叉树);每个结点的出度等于0或2的根树为二元完全树(二叉完全树);每个结点的出度等于2的根树称为正则二元树(正则二叉树). h哈夫曼树 用哈夫曼算法得到的最优二叉树. v4h hv5 Eh h F h A v2h h v3 Bh h C hv1 h D (a) (b) 图6-1 4. 有关树的求法 h生成树的破圈法和避圈法求法; h最小生成树的克鲁斯克尔求法; h哈夫曼树的哈夫曼求法. 二、实例 例6.1 判别图6-1的两幅图 是否可以一笔画出? 解 在图6-1(a) 中, deg(v1)=deg(v2)=deg(v3)=3 有两个以上的结点的度为3. 故在(a)中不存在欧拉通路,不能一笔画出. 在图6-1(b) 中,deg(A)=2, deg(B) =deg(C)= deg(D)=4,deg(E) =deg(F)=3 只有两个奇数度的结点,所以存在欧拉通路,可以一笔画出. 一条欧拉通路,如EDBEFCABCDF. v1h v1h d h v4 v2h h v5 f h a g e c v3 h h v4 v2 h b h v3 D1 D2 图6-2 例6.2 判定图6-2中,两个图是否有欧拉回路?若有请把欧拉回路写出来. 解 在图D1中,v1点的出度为2, 入度为0; v5的出度为0,入度为2, 且这两点出度与入度之差不等于±1, 所以,图D1不存在欧拉通路,图D1 不是欧拉图. 图D2中,各个结点的出度、入度 都相等2,所以存存欧拉回路,图D2 是欧拉图. 一个欧拉回路为v1 a v2 b v3 f v1 e v3 c v4 h v2 g v4 dv1 例6.3 指出图6-3各图是否哈密顿图,有无哈密顿通路, 回路? 解 (1) 容易判断,存在哈密顿回路,故是哈密顿图. (2) 只有哈密顿通路,无哈密顿回路,故不是哈密顿图. (3) 无哈密顿通路,显然不是哈密顿图. i h h h h h h h h h h h h h (1) (2) (3) 图6-3 例6.4 画出具有下列条件的有5个结 点的无向图. (1) 不是哈密顿图,也不是欧拉图; (2) 有哈密顿回路,没有欧拉回路; (3) 没有哈密顿回路,有欧拉回路; (4) 是哈密顿图,也是欧拉图. 解 作图如图6-4(不唯一). h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h (1) (2) (3) (4) 图6-4 例6.5 判断图6-5是否为平面图? 解 在G中,将(v1,v4)和(v3,v4) 改画成如虚线所示.可见G是平面图. v1h 例6.6 在具有n个结点的完全 图Kn中,需要删去多少条边才能 v2h h v3 .得到树? v4h h v5 G 图6-5 解 n个结点的完全图共有条边,而n个结点的树共有n-1条边. 因此需要删去 条边后方可得到树. 例6.7 设G是图,无回路,但若外加任意一条边于G后,就形成一回路. 试证明G必为树. b · 23 1 15 c· 25 · a 4 · f 28 9 16 3 d · 15 · e 图6-6 证明 由树的定义可知,只需证G连通即可. 任取不相邻两点u,v, 由题设,加上边<u,v>就形成一回路,于是去掉边<u,v>,从u到v仍有路u,…,v,即u,v连通,由u,v的任意性可知,G是连通的,故G必是树. 例6.8 如图6-6是有6个结点a,b,c,d,e,f 的带权无向图,各边的权如图所示. 试求 其最小生成树. 解 构造连通无圈的图,即最小生成树, .用克鲁斯克尔算法: 第一步: 取ab=1;第二步: 取af=4;第三步: 取fe=3;第四步: 取ad=9; b · 23 1 c· · a 4 · f 9 3 d · · e 图6-7 第五步: 取bc=23. 如图6-7。权为1+4+3+9+23=30 例6.9 单项选择题 1.无向图G是欧拉图,当且仅当( ) (A)G的所有结点的度数为偶数 (B) G的所有结点的度数为奇数 (C) G连通且所有结点的度数为偶数 (D) G连通且所有结点的度数为奇数 答案:(C) 解答:见本单元定理1. 2. 设为连通平面图且有r个面,则r=( ) (A) m-n+2 (B) n-m-2 (C) n+m-2 (D) m+n+2 答案:(A) 解答:见定理7欧拉公式. 3. 设G是5个结点的无向完全图,则从G中删去( )条边可以得到树. (A) 4 (B)5 (C)6 (D)10 答案:(C) 解答:删去边的公式为. 故选择(C)正确. 4. 在5个结点的二元完全树中,若有4条边,则有 ( )片树叶。 (A) 2 (B) 3 (C) 5 (D) 4 答案:(B) 解答:二元完全树,即每个结点只有0个或2树枝的树,树根必有2个树枝,于是2个树枝只能其一又有2个树枝,而另一个就无树枝. 满足5个结点4条边. 可见有3片树叶. 选择(B)正确. 一般地,在二元完全树中,有m条边,t片树叶,则有m=2(t-1) 5. 图6-8是( ) (A) 完全图 (B)欧拉图 (C) 平面图 (D) 哈密顿图 h h h h h h 图6-8 答案:(D) 解答:因为n=6, 每对结点度数之和 大于或大于6,满足存在哈密顿回路的条 件,故为哈密顿图. 选择(D)正确. 例6.10 填空题 1.设G是完全二叉树,G有15个结点, 其中有8个是树叶,则G有 条边,G的总度数是 ,G的分支点数是 ,G中度数为3的结点数是 . 答案: 14; 28; 7; 6. h h h h h h h hhhhhhhh 图6-9 解答:可画图如图6-9. 有8个树叶,15个结点的完全二叉树, 2. 连通有向图D含有欧拉回路 的充分必要条件是 答案:D中每个结点的入度=出度. 解答:见欧拉回路的判断方法,定理2. 3. 设G是n个结点的简单图,若G中每对结点的度数之和 ,则G一定是哈密顿图. 答案:大于或等于n 解答:见定理4. 4.设G是有n个结点,m条边的连通图,要确定G的一棵生成树,必须删去G的 条边. 答案:m-n+1 解答:见生成树的破圈或避圈求法. 5. 一个有向树T称为根树,若 ,其中 ,称为树根, 称为树叶. 答案:若有向图T恰有一个结点的入度为0,其余结点入度为1;入度为0的结点;入度为1的结点. 解答:见根树、树根、树叶的定义. 三、练习题 1. 在图6-10中,哪些是欧拉图?哪些是哈密顿图?哪些是平面图? h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h (4) h h h h h h h (3) h h h h h h h h h h (5) h h h h h h h h h h (2) hu h h h hv (1) (6) 图6-10 2. 设G是平面图,并且G的所有面的次数均为3,证明 其中e是G的边数. v是G的结点数. 3. (1)设G是无向图, 1 1 2 3 4 如图6-11(1),说明G不 a 3 d 是欧拉图; (2) 求带权图,如图 6-11(2)的最小生成树. 5 e 6 4.将平面图G1,G2(如图6- -12) 改写成不相交的形式. b c . (1) (2) 5. 已知有向图D的邻接矩阵为 图6-11 h h h h h h h h h h h h h G1 G2 图6-12 试作出D的图,并求关联矩阵 6. (1)在1棵有2个2度结点,4个3度结点, 其余为树叶的无向树中,应该有几片树叶? (2) 画出两棵不同构的满足条件(1)的结点度数的无向树T1,T2. 7.设G=<V,E>是有p个结点,s条边的连通图,则从G中删去多少条边,才能确定图G的一棵生成树? l l l l l l 图6-13 8. 求图6-13图G的对偶 图. 9.画出满足下列条件的图: (1) 画一个有一条欧拉回路和一条哈密顿回路的图; (2) 画一个有一条欧拉回路,但没有哈密顿回路的图; (3) 画一条没有欧拉路,但有一条哈密顿回路的图. 四、练习题答案 1. (1)的图记作G1,从G1中删去结点u,v,得到G1的三个连通分支,有 由定理3的逆可知,G1不是哈密顿图. 由于它是连通的,且无奇数度结点,由定理1可知,它是欧拉图,显然是平面图; (2) 是平面图. 由于它非连通,所以它不是欧拉图. 也不是哈密顿图; (3) 是平面图. 因为无回路,所以它不是欧拉图,也不是哈密顿图; (4) 是平面图. 因为奇数度的结点超过2个,根据定理1的推论,该图不是欧拉图;在图中容易找到一条哈密顿回路,故是哈密顿图; (5)是平面图. 因为无奇数度的结点,所以是欧拉图,又因为可以找到一条哈密顿回路,所以是哈密顿图. (6)不是平面图. 又奇数度的结点多于2个,所以它不是欧拉图,可以找到一条哈密顿回路,是哈密顿图. 2. 因为G的所有面的次数为3,因此对G的任意面r,有 deg(r)=3 从而, 又根据定理6,G的所有面的次数之和等于其边数的2倍,即 即 代入欧拉公式 , 2. (1) 因为G中各结点均为奇数度,由欧拉图的充分必要条件知,G不是欧拉图. (2)最小生成树为T1=<{a,b,c,d,e},{(a,e),(d,e),(b,e),(b,c)}> 或用图形表示,如图6-14. a d h h h h h h h h h h h h h G1 G2 图6- 15 e b c 图6-14 第3(2)题解答图 v2h e1 hv1 e2 e4 e5 hv5 v3h e3 hv4 图 6-16 4. 改写后的图,如图6-15 5. 图形如图6-16 M(D)= 6. (1)设有k片树叶,则该树有k+2+4个结点,根据树的等价定义,有k+5条边. 由握手定理,2×(k+5)=k+2×2+4×3=k+16,故k=6. 即有6片树叶. (2) 如图6-17 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l T1 T2 不惟一. 图6-17 7. s-p+1 8.答案图如图6-18的虚线图. 图 6-18 9. (1)有一条欧拉回路和一条哈密顿回路的图,如图6-19(a) h h h h h h h h h h h h h h h h h (a) (b) (c) 图6-19 (2)有一条欧拉路,但没有哈密顿回路的图,如图6-19(b) (2) 画一条没有欧拉路,但有一条哈密顿回路的图,如图6-19(c) 一、重点内容 1.代数运算及其性质 h二元运算,非空集合A上的函数(映射) f:A2=A×A®A就是A上的二元代数运算. 就是说二元运算是一个变换(对应关系). h代数运算(用*,,,等表示)的性质 交换律 "x,yÎA,有xy=yx 结合律 "x,yÎA,有(xy)z=xyz) 分配律 "x,y,zÎA,有x*(yz)=(x*y) (x*z) 或(yz)*x=(y*x)(z*x) 幂等律 "xÎA,有xx=x 吸收律 "x,yÎA, 有x*(xy)=x, x(x*y)=x h运算的特殊元素 单位元 el (或er)ÎA,对"xÎA, 有elx=x (xer=x), el(或er)是A的运算的左单位元(或右单位元). e既是右单位元又是左单位元就是单位元. 一般地,满足交换律的运算,才存在单位元. 逆元 对xÎA,若x-1ÎA, 有x-1x=xx-1=e(单位元),x-1是x的逆元. h代数系统 在非空集合A上,定义了若干代数运算f1,f2,…,fm, (A, f1,f2,…,fm)称为代数系统. 若BÍA,f1,f2,…,fm在B上成立,(B, f1,f2,…,fm)称为子代数系统. 2. 群及其性质 h代数系统 注意:由上可见,代数系统、半群、群(子群)是一条线下来,条件逐步加强,半群和群是我们讨论的重点. h群的性质:(1) (a-1)-1=a; (2) (a*b)-1=b-1*a-1; (3) am*an=am+n; (4) (am)n=amn; (5)方程a*x=b的解为x=a-1*b或y*a=b的解为x=b*a-1(唯一); (6) a*c=b*c或 c*a=c*b,可得a=b(消去律). 3. 特殊群 h交换群,群(G,*)的二元运算*满足交换律,(G,*)是交换群(阿贝尔群) . h循环群,群G能表成 G={ak½kÎZ,aÎG} G是循环群. 记作G=(a),a是群G的生成元. h变换群 设A是一个非空集合,A上的所有一一变换构成的集合E(A), 对于变换乘法E(A)构成一个群,称为集合A上的一一变换群. E(A)的子群称为变换群. h置换群,n元集合M上的所有n元置换Sn,关于置换合成(乘法)构成n元对称群,它的子群叫置换群. 4. 置换 h置换,有限集合M={a1,a2,…,an}上的双射s:M®M,叫n元置换 h置换复合(乘法),设, 那么 h单位置换, h逆置换,s-1= n元集合M上的n元置换有n!个,有n元置换构成的集合,记作Sn. h轮换,满足:(1)s(a1)=a2, s(a2)=a3, …,s(am)=a1; (2)s(a)=a,当a¹ak,(k=1,2,…,m)时,则s是一个长度为m的轮换,记作(a1,a2,…,am). h重要结论:置换有结合律;不相交的轮换有交换律;Sn中任一置换都可以唯一地表示成一系列不相交的轮换之积. 5. 同态与同构 h同态,代数系统(G,*)和(S, °),f是从G到S上的一个映射. "a,bÎG,有 f(a*b)=f(a) °f(b) 则称f是由(G,*)到(S, °)的一个同态映射. 并称G与S同态. 如果f 是满射,则称G与S是满同态,记作G~S;如果f是单射,则称G与S是单同态. (f(G), °)称为(G,*)在f下的同态象.. h同构,代数系统(G,*)和(S, °),如果f是从G到S的一个双射,则称f是从G到S的同构映射,G与S同构,G≌S. h群的同态与同构,设(G,*)和(S, °)群,若存在同态、单同态、满同态映射f:G®S,则群G与S是同态、单同态、满同态;若存在从(G,*)到(S, °)的同态双射,则称群(G,*)与(S, °)同构,Q≌S.. 二、实例 例7.1 通常数的乘法运算是否可以看作下列集合上的二元运算,说明理由. (1) A={1,2} (2) (3) (4) 解 (1) 乘法运算不是A上的二元运算,因为2×2=4ÏA,×在A上不封闭. (2) 乘法运算不是B上的二元运算,因为素数乘素数不一定是素数,如2×3=6ÏB. (3) 乘法运算是C上的二元运算,因为偶数乘偶数仍然是偶数. (4) 乘法运算是D上的二元运算,因为对任意有且m,nÎN. 在集合A上定义的运算,也称该运算在A上封闭. 例7.2 实数集R上的下列二元运算是否满足结合律和交换律? (1) ,; (2) , 解 (1) 因为 所以 ,因此,运算*满足结合律. 又,所以运算*满足交换律. (2) 因为 = 一般情况下,,所以运算不满足结合律. 而,所以运算满足交换律. 例7.3 在例7.2中,运算*是否有单位元和幂等元?若有单位元的话,哪些元素有逆元? 解 运算*的定义为:. (1) 若e是单位元,则对任意元素rÎR,有 由于运算*是可交换的,仅考虑,即 于是 由r的任意性,要使上式成立,只有e=0. 因此0是运算*的单位元. 若rÎR是幂等元,则应有r*r=r, 即 于是 要使上式成立,只有r=0或r=1. 因此0或1是运算*的幂等元. 在实数域R上的二元运算*只有幂等元,没有幂等律. (2) 设r-1是r(ÎR)的逆元,则应有 r*r-1=r+r-1-rr-1=0 (*的单位元) 于是 因此,对于R中的任何元素r(只要r¹1)均有逆元,其逆元是(元素1无逆元). 例7.4 设R是实数集,定义R上的二元运算为 试问R与运算是否为半群? 解 显然,故二元运算在R上封闭. 只需验证是否满足结合律. , 所以 故(R,)是半群. 例7.5 设B是任意集合,试验证(P(B),Å)是群. P(B)是B的幂集,Å是对称差运算, 证明 对任意集合C,D,EÎP(B),有 所以(Å运算满足结合律请参考教材P73的运算律(12)),故(P(B),Å)是半群. 任意 所以Æ是二元运算Å的单位元. ,二元运算Å的逆元是它自身,存在逆元. 可见,(P(B),Å)是群. 例7.6 设集合B={1,2,3,4,5},令A={1,4,5}ÎP(B),求证由A生成的子群((A),Å)是(P(B),Å)的子群,其中(A)={A,Æ}. 并求解方程AÅX={2,3,4}. 解在(A)上封闭. ÌP(B). 因为 可知,运算Å在(A)上满足结合律,又Æ是Å的单位元,A,Æ的逆元是自身. 可知((A),Å)是群,因为(A)={A,Æ}ÍP(B),所以((A),Æ)是(P(B),Å)的子群. 因为A-1=A,解AÅX={2,3,4},有 例7.7 设群中每个元素的逆元素就是其自身,则G是一个交换群. 证明 ,于是 所以G是一个交换群. 例7.8 设M={1,2,3 },s是M的一个置换 s=,t= 求s2,st,ts,t-1. 解 由置换的乘法 s2=·=,st=·= ts=·=, t-1=()-1= 例7.9 设G={1,-1,i,-i},其中i是虚数单位,证明(G,·)是循环群. 证明 易验证运算·在G上封闭,而且满足结合律、交换律. 1是运算·在G上的单位元;又 即G的逆元存在. 所以(G,·)是群且是交换群. 因为,故i是它的生成元,G=(i). G是循环群. 例7.10 对于下面给定的群G1和G2,函数f:G1®G2,判断f是不是群G1到G2的同态,如果是,说明是单同态,满同态,还是同构?并求同态像f(G1). (1) ,其中+,·是数的加法和乘法,R*是非0实数集. (2) ,其中+,·是数的加法和乘法, ,其中C是复数集, (3) ,其中·,+是数的加法和乘法, 解 (1) 总之,f(a+b)=f(a)f(b),所以f是同态函数. 因为任何偶数,都映射为1,故f不是单射;又Ran(f)={1,-1}ÌR*,故f不是满射. f(G1)={1,-1} 故f=cosx+isinx是同态函数. 容易验证,所以,f(x)= cosx+isinx是单射. x取值可数个,而A是单位圆上的连续点,不是满射. 所以f(Z)ÌA,f(x) =cosx+isinx不是满射. (3) 故f=lnx是同态函数. 又因为f(x)=lnx是严格单调函数,只要,所以,f=lnx是单射. 再由f(R+)=R,故f=lnx是满射, 最后得到是双射. R+的像,f(R+)=R 例7.11 单项选择题 1. 设集合A={1,2,3,…,10},在集合A上定义的运算,不是封闭的为( ) (A) "a,bÎA, a*b=lcm{a,b}(最小公倍数) (B) "a,bÎA, a*b=gcd{a,b}(最大公约数) (C)"a,bÎA, a*b=max{a,b} (D) "a,bÎA, a*b=min{a,b} 答案:(A) 解答:在(A)中,取5,7ÎA,lcm{5,7}=35ÏA,故选择(A)正确. 说明:在(B)中,A中任意两个数的最大公约数为1ÎA,故运算封闭. 在(C),(D)中,A中任意两个数的最大和最小者,都在1,10之间,仍然是A的元素,故运算封闭. 2. 在自然数N上定义的二元运算·,满足结合律的是( ) (A) a·b=a-b (B) a·b=a+2b (C) a·b=max{a,b} (D) a·b=½a-b½ 答案:(C) 解答:"a,b,cÎN, 对于(A),有(a·b)·c=(a-b)·c=a―b―c,而a·(b·c)=a·(b-c)=a-b+c 对于(B),有(a·b)·c=(a+2b)·c=a+2b+2c,而a·(b·c)=a·(b+2c)=a+2b+4c 对于(C),有(a·b)·c=max{a,b)·c=max{a,b,c},而a·(b·c)=a·max{b,c}=max{a,b,c},故选择(C)正确. 3. 下列代数系统(G,*)中,其中*是加法运算. ( )不是群. (A) G为整数集合 (B) G为偶数集合 (C) G为有理数集合 (D) G为自然数集合 答案:(D) 解答:代数系统能构成群,须满足:二元运算满足结合律、存在单位元和逆元. 因为*为加法运算,在(A),(B),(C)中,加法运算满足结合律,单位元为0,任意元素a的逆元为-a. 故是群. 在(D)中除元素0有逆元是它自身外,其它元素没有逆元,故不能构成群. 选择(D)正确. 例7.12 填空题 1. 在代数系统(N,+)中,其单位元是 , 有逆元. 答案:0;仅有单位元0. 解答:单位元,即存在eÎN,使得"nÎN,有n+e=e+n=n,对于N,只有数0满足此条件,故在N中运算“+”的单位元为0. "nÎN,有n+(-n)=(-n)+n=0=e,但-nÏN,只有0ÎN,又满足条件. 故只有单位元“0”有逆元. 2. 设A是非空集合,集合代数(P(A),È,Ç)中,P(A)对运算È的单位元是 , P(A)对运算Ç的单位元是 . 答案:Æ;A. 解答:对运算È,只有Æ满足任意集合C,有CÈÆ=ÆÈC=C,故È的单位元是Æ.
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