哥尼斯堡七桥问题[欧拉图]

一、历史背景

1736年,年仅29岁的数学家欧拉来到普鲁士的古城哥尼斯堡(哲学家康德的故乡,今俄罗斯加里宁格勒)。普瑞格尔河正好从市中心流过,河中心有两座小岛,岛和两岸之间建筑有七座古桥。

欧拉发现当地居民有一项消遣活动,就是试图每座桥恰好走过一遍并回到原出发点,但从来没人成功过。

欧拉证明了这种走法是不可能的。现在看来,欧拉的证明过程非常简单,但他对七桥问题的抽象和论证思想,开创了一个新的学科:图论(Graph)。

如今,无论是数学、物理、化学、天文、地理、生物等基础科学,还是信息、交通、经济乃至社会科学的众多问题,都可以应用图论方法予以解决。图论还是计算机科学的数据结构和算法中最重要的框架(没有之一)。

首先能想到的证明方法是把走七座桥的走法都列出来,一个一个的试验,但七座桥的所有走法共用(7!=5040种),逐一试验将是很大的工作量。欧拉作为数学家,当然没那样想。欧拉把两座岛和河两岸抽象成顶点,每一座桥抽象成连接顶点的一条边,那么哥尼斯堡的七座桥就抽象成下面的图:

假设每座桥都恰好走过一次,那么对于(A、B、C、D)四个顶点中的每一个顶点,需要从某条边进入,同时从另一条边离开。进入和离开顶点的次数是相同的,即每个顶点有多少条进入的边,就有多少条出去的边,也就是说,每个顶点相连的边是成对出现的,即每个顶点的相连边的数量必须是偶数。

而上图中(A、C、D)四个顶点的相连边都是3,顶点(B)的相连边为5,都为奇数。因此,这个图无法从一个顶点出发,遍历每条边各一次。

欧拉的证明与其说是数学证明,还不如看作是一个逻辑证明。一个曾难住那么多人的问题,竟然是这样一个简单的出人意料的推理,还开创了一个新的学科。欧拉非常巧妙的把一个实际问题抽象成一个合适的数学模型,这种研究方法就是我们应该掌握的数学模型方法。这并不需要运用多么深奥的理论,但能想到这一点,却是解决问题的关键。

二、相关的概念和定理

欧拉图、欧拉路径/回路

  • 如果在一张图(有向图或无向图)上能够不重复地遍历完所有的边,那么此图就称为欧拉图(Eulerian graph)。
  • 能够不重复地遍历完所有的边的路径——即一笔画的“笔画”,称为欧拉路径(Eulerian path)。
  • 特别地,如果上述路径的起点与终点相同,则称为欧拉回路(Eulerian circuit)。

如下gif所示的图就是欧拉图,存在一个欧拉路径。

下图是一笔画成的“串”字,也就是说烧烤店门口挂的这个字可以用单条LED灯带做成。

那么柯尼斯堡七桥问题为什么不能“一笔画”呢?来看看欧拉提出的定理。

图论中的欧拉定理(一笔画定理)

欧拉同时考虑到了有向图与无向图的情况,因此要分别讨论。

无向图的情况
定理:

连通无向图G有欧拉路径的充要条件为:G中奇度顶点(即与其相连的边数目为奇数的顶点)有0个或者2个。

证明:
,NOIP级别的竞赛,不考证明,知道结论就行了。

可知,柯尼斯堡七桥问题中的图有(4个)奇度顶点((1)个度数为(5)(3)个度数为(3)),所以不存在欧拉路径。

有向图的情况
定理:

底图连通的有向图G有欧拉路径的充要条件为:
1、G的所有顶点入度和出度都相等;
2、或者只有两个顶点的入度和出度不相等,且其中一个顶点的出度与入度之差为1,另一个顶点的入度与出度之差为1。

证明略。

欧拉定理介绍完了,那么如何找到具体的路径呢?

寻找欧拉路径/回路

  • 判断图的连通性,非连通图是不存在欧拉路径/回路的。

    判断图的连通性可以通过传统的DFSBFS方法,也可以通过之前讲过的并查集实现,另外还有基于传递闭包的Floyd-Warshall算法(没错就是求最短路的那个),不再赘述。
    图的连通性判断链接

  • 判断是否欧拉路径/回路
    如果图是连通的,我们再遍历每个顶点的度(有向图就是入度和出度),根据欧拉定理即可轻松地判断图中是否欧拉路径/回路。

  • 找出路径的起点和终点
    如果是欧拉路径的话,还能顺便找出路径的起点和终点。

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;
const int N = 26;
int ind[N];          //入度

/**
 测试数据:

 欧拉图
 4 4
 1 2
 2 3
 3 4
 4 1

 非欧拉图
 4 4
 1 2
 2 3
 3 4
 1 4
 */
struct Edge {       //记录边的终点,边权的结构体
    int to;         //终点
    int value;      //边权
};
int n, m; //表示图中有n个点,m条边
vector<Edge> p[N];  //使用vector的邻接表
int cnt, start;

int main() {
    //利用邻接表建图
    cin >> n >> m;
    //m条边
    for (int i = 1; i <= m; i++) {
        int u, v;                //点u到点v有一条权值为l的边
        cin >> u >> v;
        p[u].push_back({v, 1});
        //维护入度
        ind[v]++;
    }

    //判断是不是欧拉图
    //出度与入度的数字关系
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        //计算每个结点的出度与入度的差
        int k = p[i].size() - ind[i]; //出度不需要单独维护

        //出度与入度差大于1,则肯定不是欧拉图
        if (abs(k) > 1) {
            cout << "No";
            return 0;
        }

        //如果差是1,那么需要检查是不是2个,2个才是一个入口点,一个出口点
        if (abs(k) == 1) {
            //记录个数
            cnt++;
            //如果出度比入度大1,记录下起点是哪个结点
            if (k == 1) start = i;
        }
    }

    //如果不是0也不是2,那么不是欧拉图
    if (cnt != 0 && cnt != 2) {
        cout << "No";
        return 0;
    }

    //欧拉图
    cout << "Yes" << endl;
    if (start) cout << "出发点:" << start << endl;
    else cout << "任意点都可以是出发点!" << endl;
    return 0;
}
原文地址:https://www.cnblogs.com/littlehb/p/15129083.html