“握手引理保证奇度顶点总数为偶数,连通性与度数配对共同构成判定条件。实际构造可用 Hierholzer 算法在线性时间生成Euler 迹;与Hamilton 路不同,这里要求每条边恰用一次而允…”
形式陈述 ​
在有限无向图中,欧拉迹是恰好经过每条边一次的迹;若起点等于终点,则称欧拉回路。忽略孤立顶点后,图存在欧拉回路当且仅当所有含边顶点连通且每个顶点度数为偶数;存在起终点不同的欧拉迹当且仅当含边部分连通且恰有两个奇度顶点,此时它们必须是起点与终点。多重边允许,环对顶点度数贡献 2。证明可用逐步行走并把闭合子回路拼接的 Hierholzer 构造。
直觉
Euler 迹关心的是边资源是否全部恰好消费一次,顶点只是边之间的转接站。于是允许多次回到同一顶点,甚至必须如此;真正不能重复的是边。闭迹把每次进入都与离开配对,开放迹只在两端留下不平衡。
例子与边界
一个简单环本身就是欧拉回路。路径图只有两个端点为奇度,故有从一端到另一端的欧拉迹。两个互不相交的环虽所有顶点度数都为偶数,却不能由一条迹覆盖,说明连通条件不可省。欧拉迹允许重复顶点但不能重复边,与要求访问每个顶点一次的Hamilton 路不同。对有向图应改用入度、出度和平衡或可达条件。
“8”字图由两个圈共享一个顶点组成,所有顶点度数为偶数,沿第一个圈回到交点后再走第二个圈即可得到 Euler 回路。树若有超过一条边,叶子至少两个且常常更多;只有恰有两个奇度顶点的路径树存在 Euler 迹,一般分叉树不存在。把边序列反转仍是合法 Euler 迹,但从中循环移位只对闭回路有意义。
推论与应用
Euler 判定给出存在性,迹与回路提供形式语言,在图中,构造算法把边逐条删去并拼接闭回路。DNA 片段组装中的 de Bruijn 图、道路巡检和拼接字符串都把“每条边一次”作为模型;若目标改成每个顶点一次,便转向性质完全不同的Hamilton 问题。
参考资料
- Reinhard Diestel, Graph Theory, 5th ed., Springer, 2017,§1.8, Euler tours and degree characterization。
- Eric Lehman, F. Thomson Leighton, and Albert R. Meyer, Mathematics for Computer Science, rev. 2018,Ch. 12, Euler tours and graph traversals。