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子图

Subgraph

从母图删除顶点或边、同时保留剩余边端点关系所得的图。

条目类型
定义

形式陈述

G=(V,E)。图 H=(W,F) 称为 G子图,记作 HG,若

WV,FE(W2).

这两条子集约束同时表达两件事:H 不能创造母图中没有的边,并且 F 中每条边的两个端点都必须留在 W 中。从操作角度看,子图可由 G 经过删顶点与删边得到;删除顶点时,与它关联的边也随之删除。

W=V,则 H生成子图。给定顶点集 SV,由 S 诱导的子图定义为

G[S]=(S, E(S2)).

诱导子图一旦选定顶点,顶点之间原有的边就必须全部保留。给定边集 FE 时,也可取 F 的全部端点组成边诱导子图;它与顶点诱导子图的输入对象不同。若 HG,称 H 为真子图。

子图关系具有传递性。若 KHHG,那么 V(K)V(G)E(K)E(G),端点条件也随包含关系保留,所以 KG

直觉

普通子图允许在保留的顶点之间继续删边,因此表达“母图中能挑出这种连接模式”。诱导子图问得更严格:挑出一组顶点后,必须接受它们在母图中的全部内部关系。这一个量词差别决定了我们是在寻找某种稀疏骨架,还是寻找没有额外弦和额外冲突的完整局部场景。

生成子图从另一方向固定了顶点集。生成树会删去多余边而保留所有顶点;诱导子图则先删去不关心的顶点,再让剩余边自动确定。看到“子图”二字时,先确认究竟固定顶点、固定边,还是两者都可选择,往往比计算本身更关键。

例子与边界

G 是四边形 abcda 再加对角线 ac。只保留四条外圈边得到一个生成子图 C4,但它不是 V(G) 诱导的子图,因为母图中的边 ac 被遗漏。若取顶点集 {a,b,c},诱导子图 G[{a,b,c}] 是三角形;只取边 ab,bc 得到的三点路径仍是子图,却不是该顶点集的诱导子图。

在铁路网络中,“只看某一区域内的所有车站和区域内全部直达线路”对应顶点诱导子图;“保留所有车站,只选高速线路”更接近生成子图。前一种操作不会自行删掉区域内部不喜欢的线路,后一种操作也不能漏掉孤立在筛选结果中的车站。

图 minor比子图多允许收缩边。把三角形的每条边各细分一次得到六圈 C6;它没有三角形子图,但收缩三条交替边后得到 K3 minor。细分子图又允许目标图的边由内部顶点互不冲突的路径代替。普通子图、诱导子图、拓扑子图和 minor 因而是四种不同的包含证书。

空图是每张图的子图,图本身也是自己的子图。若讨论有向图或多重图,子图仍需继承母图相应的方向与边身份;本页公式针对有限简单无向图,不能用集合 F 自动表达两条端点相同的平行边。

推论与应用

某个性质若随删除顶点和边保持,称为子图闭性质。可平面性与二分性都具有这种闭性;连通性没有,因为删除一条桥就可能把图断开。若性质只保证在顶点诱导子图下保持,则称为诱导遗传性质,结论通常更弱。

一组顶点诱导完全图时形成;诱导无边图时形成独立集。生成树则是既覆盖全部顶点、又连通无圈的生成子图。这些常用对象分别固定了不同部分的子图自由度。

禁图定理必须写清允许哪种包含。Kuratowski 定理寻找 K5K3,3 的细分子图,Wagner 定理寻找相应 minor;模式匹配中的 subgraph isomorphism 与 induced subgraph isomorphism 也会因“额外边是否允许”而得到不同答案。

参考资料
  • Reinhard Diestel, Graph Theory, 5th ed., Springer, 2017, §§1.1–1.3.
  • Douglas B. West, Introduction to Graph Theory, 2nd ed., Prentice Hall, 2001, §§1.1–1.2.
  • J. A. Bondy and U. S. R. Murty, Graph Theory, Springer, 2008, Chapter 1.
关系图谱17 个相邻概念 · 3 类关系

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