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割点与桥

Cut vertex and bridge

删除后增加连通分量数的顶点或边。

条目类型
定义

形式陈述

G 为有限无向图。顶点 v 称为割点,若删除 v 及其关联边后,图的连通分量数严格增加。边 e 称为桥(割边),若删除 e 后连通分量数严格增加。若 G 连通,则割点使 Gv 不连通,桥使 Ge 不连通。对无向图,边 e 是桥当且仅当它不属于任何圈。若 e=uv 是桥,则它在任意生成森林中出现;连通图中它出现在每棵生成树中。割点与二连通分量可由深度优先搜索的发现时间和 low 值在线性时间内求出。

直觉

割点与桥分别检测顶点级和边级的单一失效点。它们的共同特征是删除后原先某些点对之间的所有路径同时消失;这比只看度数更可靠,因为高次数顶点也可能有大量替代路径。桥“不在任何圈上”正是路径冗余的局部刻画。

例子与边界

树中每条边都是桥;在至少含两个顶点的树中,每个度数至少为二的顶点都是割点,而叶子不是。三角形没有桥也没有割点。定义以“分量数增加”为准,可统一处理原本不连通的图;仅说“删除后图不连通”会在原图已不连通时失真。单顶点图删除唯一顶点后得到空图,是否称割点依分量约定;标准定义用分量增加可避免把它误判。环和多重边会影响“桥 iff 不在圈”的具体圈定义,本条默认有限无向简单图。割点不一定与某条桥关联,例如两个圈共享一个顶点时共享点是割点但所有边都在圈上。

把两个三角形只通过一条边 uv 相连,则 uv 是桥,u,v 都是割点,而三角形内部各边都不是桥。若让两个三角形只共享顶点 w,则 w 是割点,但图中每条边都处在一个圈上,没有桥。算法中的 DFS 树可用 low 值判断:树边 (u,v) 为桥当且仅当 low(v)>tin(u)

推论与应用

连通性只回答网络当前是否连通,割点与桥进一步定位脆弱位置。删除所有桥得到边双连通分量,围绕割点组织则形成块—割树;是每条边均为桥的极端情形。道路冗余、通信容灾和编译器控制流中的支配/分块分析都借助这种“替代路径是否存在”的结构。

参考资料
  • Reinhard Diestel, Graph Theory, 5th ed., Springer, 2017,§1.4, cutvertices, bridges, and connectivity。
  • Douglas B. West, Introduction to Graph Theory, 2nd ed., Prentice Hall, 2001,§4.1, cuts, connectivity, and blocks。
关系图谱4 个相邻概念 · 1 类关系

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